Ένας επανασχεδιασμένος καταλύτης χαμηλού κόστους επιδεικνύει απροσδόκητη ανθεκτικότητα κατά τη μετατροπή του CO₂ σε έναν χρήσιμο φορέα ενέργειας.
Ερευνητές από το Yale και το Πανεπιστήμιο του Μισούρι αναφέρουν ότι καταλύτες με βάση το μαγγάνιο μπορούν να μετατρέψουν αποτελεσματικά το διοξείδιο του άνθρακα σε μυρμηκικό άλας (formate). Το μαγγάνιο είναι ένα κοινό και χαμηλού κόστους μέταλλο, ενώ το μυρμηκικό άλας μελετάται ευρέως ως ένας πιθανός τρόπος αποθήκευσης και απελευθέρωσης υδρογόνου για μελλοντικές τεχνολογίες κυψελών καυσίμου.
Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Chem. Επικεφαλής της μελέτης ήταν ο μεταδιδακτορικός ερευνητής του Yale, Justin Wedal, και ο βοηθός ερευνητής του Πανεπιστημίου του Μισούρι, Kyler Virtue, με σημαντική συμβολή από τον καθηγητή του Yale, Nilay Hazari, και τον καθηγητή του Μισούρι, Wesley Bernskoetter.
Γιατί η αποθήκευση και η παραγωγή υδρογόνου εξακολουθούν να είναι σημαντικές
Οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια μετατρέποντας τη χημική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στο υδρογόνο, με τρόπο παρόμοιο με τη λειτουργία μιας μπαταρίας. Παρά την προοπτική τους, ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια για την ευρύτερη υιοθέτησή τους είναι η εξεύρεση προσιτών και αποτελεσματικών μεθόδων παραγωγής και αποθήκευσης υδρογόνου σε μεγάλη κλίμακα.
Η αξιοποίηση του διοξειδίου του άνθρακα αποτελεί προτεραιότητα αυτή τη στιγμή, καθώς “αναζητούμε ανανεώσιμες χημικές πρώτες ύλες για να αντικαταστήσουμε εκείνες που προέρχονται από ορυκτά καύσιμα”, δήλωσε ο Hazari, καθηγητής Χημείας στην έδρα John Randolph Huffman και πρόεδρος του τμήματος Χημείας στη Σχολή Τεχνών και Επιστημών (FAS) του Yale.
Το μυρμηκικό οξύ, το οποίο είναι η πρωτονιωμένη μορφή του μυρμηκικού άλατος, παράγεται ήδη σε μεγάλες ποσότητες για βιομηχανικές χρήσεις, όπως η συντήρηση τροφίμων, οι αντιβακτηριδιακές επεξεργασίες και η βυρσοδεψία δέρματος. Οι επιστήμονες το εξετάζουν επίσης ως μια πιθανή πηγή υδρογόνου για κυψέλες καυσίμου, υπό την προϋπόθεση ότι μπορεί να παραχθεί με βιώσιμο και πρακτικό τρόπο.
Το πρόβλημα του καταλύτη: Κόστος, σταθερότητα και τοξικότητα
Επί του παρόντος, η βιομηχανική παραγωγή μυρμηκικού άλατος περιλαμβάνει τη χρήση ορυκτών καυσίμων και, ως εκ τούτου, δεν θεωρείται βιώσιμη επιλογή μακροπρόθεσμα. Μια πιο φιλική προς τον πλανήτη προσέγγιση, σύμφωνα με τους ερευνητές, είναι η δημιουργία μυρμηκικού άλατος από το ατμοσφαιρικό διοξείδιο του άνθρακα, απομακρύνοντας ουσιαστικά ένα αέριο του θερμοκηπίου και μετατρέποντάς το σε ένα χρήσιμο προϊόν.
Όμως για να γίνει αυτό, απαιτείται ένας καταλύτης. Και εκεί ακριβώς βρίσκεται η πρόκληση για τους ερευνητές. Πολλοί από τους αποτελεσματικούς δυνητικούς καταλύτες που βρίσκονται υπό ανάπτυξη βασίζονται σε πολύτιμα μέταλλα, τα οποία είναι ακριβά, λιγότερο άφθονα και έχουν υψηλή τοξικότητα.
Από την άλλη πλευρά, οι μεταλλικοί καταλύτες που είναι πιο άφθονοι, πιο βιώσιμοι και λιγότερο δαπανηροί τείνουν να είναι λιγότερο αποτελεσματικοί, καθώς αποσυντίθενται γρήγορα, γεγονός που περιορίζει την ικανότητά τους να μετατρέπουν το διοξείδιο του άνθρακα σε μυρμηκικό άλας.
Σχεδιασμός μαγγανίου με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής
Η ομάδα του Hazari προτείνει μια νέα προσέγγιση. Οι ερευνητές κατάφεραν να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής των καταλυτών με βάση το μαγγάνιο σε τέτοιο βαθμό, ώστε η αποτελεσματικότητά τους να ξεπεράσει τους περισσότερους καταλύτες πολύτιμων μετάλλων. Η βασική καινοτομία, όπως ανέφεραν, ήταν η σταθεροποίηση των καταλυτών μέσω της προσθήκης ενός επιπλέον ατόμου-δότη στον σχεδιασμό του προσδέτη (οι προσδέτες – ligands – είναι άτομα ή μόρια που συνδέονται με ένα μεταλλικό άτομο και επηρεάζουν τη δραστικότητά του).
“Είμαι ενθουσιασμένος που βλέπω τον σχεδιασμό του προσδέτη να αποδίδει με τόσο ουσιαστικό τρόπο”, δήλωσε ο Wedal.
Οι ερευνητές ανέφεραν επίσης ότι η προσέγγισή τους μπορεί να εφαρμοστεί ευρύτερα και σε άλλους καταλυτικούς μετασχηματισμούς, πέρα από τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε μυρμηκικό άλας.
