Naukowcy zmieniają CO2 w paliwo. Plazma i prąd w jednej technologii

Zespół związany z Yale University zaprezentował rozwiązanie pozwalające przerabiać CO2 na substancje o praktycznym znaczeniu – takie, które mogą stać się składnikami paliw, leków czy rozpuszczalników. Nad projektem pracowała Lea Winter, zwracając uwagę, że metoda może ułatwić wytwarzanie produktów dotąd kojarzonych przede wszystkim z surowcami kopalnymi. Kluczowy problem polegał na tym, że dwutlenek węgla jest wyjątkowo stabilny chemicznie, a skuteczna konwersja zwykle wymagała dotąd dużych nakładów energii.

Badacze postawili na zestawienie dwóch procesów: klasycznej elektrokatalizy oraz reakcji inicjowanych przez plazmę. Elektrokataliza, wykorzystująca prąd i katalizator, potrafi przekształcać CO2, ale w praktyce często prowadzi przede wszystkim do prostych produktów. Plazma – czyli silnie wzbudzony energetycznie gaz – daje dostęp do innych mechanizmów reakcji, co zwiększa szanse na otrzymywanie bardziej złożonych związków chemicznych.

Istota nowego podejścia polega na użyciu wysokoenergetycznych elektronów obecnych w plazmie do wzbudzania cząsteczek CO2. W efekcie wiązania w dwutlenku węgla zostają osłabione jeszcze zanim cząsteczka trafi na powierzchnię elektrokatalizatora, co ułatwia tworzenie nowych produktów reakcji. Lea Winter podkreślała, że taki etap "wstępnego pobudzenia" otwiera ścieżki niedostępne w standardowej elektrokatalizie.

Jednym z trudniejszych elementów okazało się zaprojektowanie układu, w którym plazma i katalizator współpracują efektywnie, mimo obecności wody w środowisku reakcji. Woda może bowiem neutralizować aktywne cząstki, zanim dotrą one do katalizatora. Aby ograniczyć ten efekt, opracowano tzw. trójfazowy interfejs, czyli rozwiązanie łączące fazę gazową, ciekłą i stałą oraz pozwalające precyzyjniej sterować przebiegiem procesu.

Kluczowym elementem konstrukcji stała się membrana, która przepuszcza gazy i jednocześnie ma miedziową powłokę pełniącą funkcję katalizatora. Dobór wielkości porów umożliwia docieranie do katalizatora cząstek wzbudzonych plazmą, które następnie reagują m.in. z udziałem protonów pochodzących z wody. Zespół wskazuje, że podejście to daje jedne z najlepszych jak dotąd wyników w uzyskiwaniu produktów alkoholowych oraz związków zawierających trzy lub cztery atomy węgla.

Wytwarzane w ten sposób związki mogą stanowić surowce potrzebne m.in. do produkcji zrównoważonego paliwa lotniczego wykorzystywanego w transporcie lotniczym. Dodatkowym atutem jest to, że system może działać w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu atmosferycznym, co zwiększa szanse na przyszłe wdrożenia komercyjne. Poza paliwami technologia może dostarczać również substancje przydatne w farmacji i w różnych gałęziach przemysłu.

Naukowcy oceniają, że rozwiązanie jest stosunkowo proste w obsłudze i da się je włączać do już funkcjonujących instalacji bez potrzeby budowania całkowicie nowych zakładów. System można uruchamiać i wyłączać w zależności od dostępności energii, co sprzyja współpracy z odnawialnymi źródłami prądu. Kolejne etapy prac mają obejmować m.in. dopracowanie katalizatora oraz sprawdzanie innych materiałów.