Cercetătorii combină plasma și electrocataliza pentru a transforma CO₂ în metanol și butan
O echipă de cercetători de la Universitatea Yale a dezvoltat o metodă nouă care combină electrocataliza cu plasma pentru a transforma dioxidul de carbon în produse chimice valoroase, inclusiv metanol și butan. Rezultatele au fost publicate în revista Nature Catalysis.
Dioxidul de carbon, în cantități mari, poate fi dăunător pentru mediu, dar poate fi folosit la producția de combustibili și alte substanțe chimice utile. Transformarea sa nu este însă simplă, deoarece CO₂ are legături carbon-oxigen foarte puternice și nu se descompune ușor.
Profesoara Lea Winter, care a condus studiul, a explicat că produsele cu mai mulți atomi de carbon obținute prin această abordare sunt utile pentru numeroase industrii chimice. Acestea includ produse de valoare ridicată pentru industria farmaceutică, pentru solvenți și pentru fabricarea diverselor substanțe chimice, ca alternative la compușii derivați din combustibili fosili. Winter a menționat că metoda ar putea produce și precursori pentru combustibilul de aviație sustenabil.
Limitele electrocatalizei folosite singură
Electrocataliza, care folosește un curent electric și un catalizator pentru a accelera reacțiile chimice, a fost folosită cu un anumit succes, dar produce de obicei doar un număr limitat de produse cu structură simplă a carbonului.
Pentru a obține un plus de eficiență, cercetătorii au cuplat plasma — un gaz format din particule încărcate electric, descris adesea ca a patra stare a materiei — cu electrocataliza, pentru a începe descompunerea CO₂ înainte ca acesta să ajungă la electrocatalizator. Electronii liberi din plasmă slăbesc legăturile CO₂, iar electrocatalizatorul reconstruiește apoi speciile pre-excitate în produse noi.
Winter a precizat că plasma deblochează noi căi de reacție care duc la generarea de produse precum metanolul și butanul, care nu se obțin prin electrocataliză singură.
Problema apei în procesele plasmă-electrochimice
Procesele plasmă-electrochimice folosesc de obicei o interfață cu apă, ceea ce limitează semnificativ eficacitatea metodei. Plasma activează CO₂, dar apa neutralizează cele mai reactive specii de plasmă până când acestea ajung la electrocatalizator.
Winter a explicat că a fost dificil de găsit o modalitate de a cupla eficient plasma cu catalizatorii, astfel încât speciile excitate de plasmă să participe efectiv la reacțiile catalitice.
O interfață cu trei faze
Pentru a rezolva această problemă, Winter a dezvoltat ceea ce numește o „interfață cu trei faze”. Elementul central al sistemului este un electrod cu difuzie de gaz — o membrană din același material folosit pentru tigăile antiaderente — care permite interacțiunea componentelor solide, lichide și gazoase.
Membrana este acoperită parțial cu un strat subțire de cupru care acționează ca catalizator, menținând în același timp lichidul și plasma separate. Sistemul include și o cantitate mică de apă, care furnizează ionii de hidrogen necesari reacțiilor chimice. Porii membranei sunt suficient de mari pentru a permite particulelor de plasmă să treacă spre stratul electrocatalizator, să întâlnească protonii din apă și să declanșeze reacțiile chimice.
Prin această metodă, cercetătorii au obținut unele dintre cele mai ridicate rate de generare raportate pentru alcooli valoroși și produse cu trei sau patru atomi de carbon, utilizabile pentru combustibili lichizi, produse farmaceutice și alte aplicații.
Optimizarea catalizatorilor pentru scalare
Pe baza acestor rezultate, Winter intenționează să optimizeze catalizatorul prin experimentarea cu materiale alternative. Ea a declarat că echipa vrea să proiecteze catalizatori special adaptați pentru controlul căilor de reacție care convertesc CO₂ activat cu plasmă în produse de valoare ridicată.
În ceea ce privește aplicarea practică, Winter a subliniat că sistemul are avantajul de a fi ușor de extins, deoarece funcționează la presiune atmosferică și la temperatura camerei. Procesul poate fi pornit sau oprit după disponibilitatea energiei electrice și poate funcționa direct cu energie regenerabilă intermitentă, ceea ce ar permite adaptarea unei instalații existente fără a construi o fabrică nouă.
Studiul a fost publicat în revista Nature Catalysis, sub coordonarea Universității Yale.
