Durdurulamayan bir katalizör, karbon yakalamada devrim yaratacak şekilde kükürtten daha iyi performans gösteriyor

Karbondioksiti değerli ürünlere dönüştüren bir elektrokimyasal katalizör, mevcut versiyonları zehirleyen yabancı maddelerle mücadele edebilir.

Yeni bir katalizör, yakalanan karbonun ticari ürünlere dönüşümünü hızlandırarak kükürt oksit safsızlıklarına rağmen yüksek verimliliği korur. Bu yenilik, karbon yakalama teknolojilerindeki maliyetleri ve enerji gereksinimlerini önemli ölçüde azaltarak ağır sanayiyi etkileyebilir.

Toronto Üniversitesi Mühendislik Bölümü’ndeki araştırmacılar, mevcut versiyonların performansını düşüren bir kirleticinin varlığında bile, yakalanan karbonu verimli bir şekilde değerli ürünlere dönüştüren yeni bir katalizörü başarıyla yarattılar.

Bu keşif, mevcut endüstriyel süreçlere eklenebilecek, ekonomik açıdan daha uygun karbon yakalama ve depolama teknolojilerine yönelik önemli bir adımdır.

Karbon dönüşüm teknolojilerindeki gelişmeler

diyor Profesör David Sinton (MIE), dergide yayınlanan bir makalenin başyazarı Doğanın enerjisi Yeni katalizörü anlatan 4 Temmuz’da.

“Ancak ekonominin karbondan arındırılması zor olan başka sektörleri de var: örneğin çelik ve çimento imalatı. Bu endüstrilere yardımcı olmak için atık akışlarındaki karbonu yakalamak ve artırmak için uygun maliyetli yöntemler geliştirmemiz gerekiyor.”

Toronto Üniversitesi mühendislik doktora öğrencileri Roy Kai (Ray) Miao (solda) ve Panos Papangelakis (sağda), yakalanan karbondioksiti değerli ürünlere dönüştürmek için tasarladıkları yeni bir katalizörü tutuyorlar. Modelleri, diğer katalizörleri zehirleyen bir kirletici olan kükürt dioksitin varlığında bile iyi çalışıyor. İmaj kredisi: Tyler Irving/Toronto Mühendislik Üniversitesi

Karbon dönüşümünde elektrolizörün kullanımı

Sinton ve ekibi, karbondioksit ve elektriği etilen ve etanol gibi ürünlere dönüştürmek için elektrolizör olarak bilinen cihazları kullanıyor. Bu karbon bazlı moleküller yakıt olarak satılabiliyor veya plastik gibi gündelik nesnelerin yapımında kimyasal hammadde olarak kullanılabiliyor.

Elektrolizörün içinde, üç element (karbon dioksit gazı, elektronlar ve su bazlı sıvı elektrolit) katı bir katalizörün yüzeyinde birleştiğinde bir dönüşüm reaksiyonu meydana gelir.

Katalizör genellikle bakırdan yapılır ancak sistemi daha da geliştirebilecek diğer metalleri veya organik bileşikleri de içerebilir. İşlevi, reaksiyonu hızlandırmak ve genel proses verimliliğini azaltan hidrojen gazı gibi istenmeyen yan ürünlerin oluşumunu azaltmaktır.

Katalizör verimliliği zorluklarını ele alma

Dünya çapında pek çok araştırma ekibi yüksek performanslı katalizörler üretmeyi başarırken, bunların neredeyse tamamı saf karbondioksitle çalışacak şekilde tasarlandı. Ancak söz konusu karbon bacalardan geliyorsa, bu işlemle üretilen karbonun saf olmaktan uzak olması muhtemeldir.

Makine mühendisliği doktora öğrencisi ve yeni makalenin beş ortak yazarından biri olan Panos Papangelakis, “Katalizör tasarımcıları genellikle safsızlıklarla uğraşmayı sevmiyorlar ve bunun da iyi bir nedeni var” diyor.

“Kükürt dioksit gibi kükürt oksitler yüzeye bağlanarak katalizörü zehirler. Bu, karbondioksitin reaksiyona girmesi için daha az alan bırakır ve ayrıca istemediğiniz kimyasalların oluşmasına neden olur.”

“Bu çok hızlı oluyor: Bazı katalizörler saf beslemede yüzlerce saat dayanabilirken, bu yabancı maddeleri katarsanız verimlilikleri dakikalar içinde %5’e düşebilir.”

CO2 açısından zengin egzoz gazlarındaki yabancı maddeleri elektrolizöre beslemeden önce uzaklaştırmak için iyi bilinen yöntemler olmasına rağmen, bu yöntemler zaman alıcı, enerji yoğun ve karbon yakalama ve iyileştirme açısından pahalıdır. Üstelik kükürt dioksit söz konusu olduğunda çok küçük bir miktar bile büyük bir sorun olabilir.

Papangelakis, “Egzoz gazını milyonda 10 parçanın veya beslemenin %0,001’inin altına düşürseniz bile, katalizör iki saatten daha kısa bir sürede zehirlenebilir” diyor.

Katalizör tasarımındaki yenilikler

Bu yazıda ekip, tipik bir bakır bazlı katalizörde iki önemli değişiklik yaparak kükürt dioksite direnç gösterebilen daha esnek bir katalizörü nasıl tasarladıklarını anlatıyor.

Bir tarafa Teflon olarak da bilinen ince bir politetrafloroetilen tabakası eklediler. Bu yapışmaz malzeme, katalizörün yüzeyindeki kimyayı değiştirerek kükürt dioksit zehirlenmesinin oluşmasını sağlayan reaksiyonları engeller.

Öte yandan, yakıt hücrelerinde tipik olarak kullanılan, elektriksel olarak iletken bir polimer olan Nafion’dan bir katman eklediler. Bu karmaşık, gözenekli malzeme, hidrofilik olan, yani suyu çeken bazı alanların yanı sıra, hidrofobik olan, yani suyu iten diğer alanları da içerir. Bu yapı kükürt dioksitin katalizör yüzeyine ulaşmasını zorlaştırır.

Olumsuz koşullar altında performans

Ekip daha sonra bu katalizörü karbondioksit ve kükürt dioksitten oluşan bir karışımla besledi; ikincisi, tipik bir endüstriyel atık akışını temsil eden, milyonda yaklaşık 400 parçalık bir konsantrasyona sahipti. Bu zor koşullar altında bile yeni katalizör iyi performans gösterdi.

Papangelakis, “Bu çalışmada, 150 saat boyunca koruyabildiğimiz %50’lik bir Faraday verimliliğini (istenen ürünlerde ortaya çıkan elektron sayısının bir ölçüsü) bildirdik” diyor.

“Daha yüksek bir verimlilikle (belki %75 veya %80) başlayabilen bazı katalizörler var. Ancak yine de, birkaç dakika veya en fazla birkaç saat içinde kükürt dioksite maruz kalırsanız bu verimlilik neredeyse sıfıra düşer. bununla mücadele edebildik.” “

Gelecekteki eğilimler ve çıkarımlar

Papangelakis, ekibinin yaklaşımının katalizörün bileşimini etkilemediğini, dolayısıyla geniş çapta uygulanması gerektiğini söylüyor. Başka bir deyişle, halihazırda yüksek performanslı katalizörlerde uzmanlaşan takımların, kükürt oksit zehirlenmesine karşı direnç kazandırmak için benzer kaplamaları kullanabilmeleri gerekiyor.

Sülfür oksitler tipik atık akışlarındaki en zorlayıcı kirlilik olmasına rağmen, ekip bir sonraki adım olarak tüm kimyasal kirletici maddelere yöneleceği için tek kirlilik bunlar değildir.

Papangelakis, “Azot oksitler, oksijen vb. gibi hesaba katılması gereken birçok başka safsızlık var” diyor.

“Fakat bu yaklaşımın kükürt oksitlerle çok iyi sonuç vermesi umut verici. Bu çalışmadan önce, karbondioksiti yükseltmeden önce safsızlıkları gidermeniz gerektiği kesin kabul ediliyordu. Gösterdiğimiz şey, farklı bir yol olabileceğiydi. bununla başa çıkmak birçok yeni olasılığın önünü açıyor.

Referans: Panagiotis Papangelakis, Rui Kai Miao, Ruihu Lu, Hanqi Liu, Shi Wang, Adnan Ozden, Shijie Liu ve Ning Sun, Colin B. O. ‘Brien, Yongfeng Hu, Mohsen Shakouri, Qinfeng Xiao, Mingsha Li, Behrouz Khater, Jian’an Eric Huang, Yakun Wang, Yu-Celin Xiao, Feng Li, Ali Shaisteh Zarate, Qiang Zhang, Pingyu Liu, Kevin Golovin ve Jin Wei Hao, Hongjian Liang, Xiyun Wang, Jun Li, Edward H. Sargent ve David Sinton, 4 Temmuz 2024, Doğanın enerjisi.
DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9