Тим научника на челу са др Кее Иоунг Коо из Одељења за истраживање водоника на Корејском институту за енергетска истраживања (председник Ии Цханг-Кеун, у даљем тексту КИЕР) створио је водећи катализатор у свету способан да трансформише угљен-диоксид, главни гас стаклене баште, у суштински састојак за производњу еколошки прихватљивог горива.
Реакција обрнутог померања воде и гаса (РВГС) је хемијски процес који претвара угљен-диоксид (ЦО2) у угљен моноксид (ЦО) и воду (Х2О) реакцијом са водоником (Х2) у реактору. Добијени угљен моноксид се затим може комбиновати са водоником да би се направио син-гас, основни градивни блок који се користи за производњу синтетичких горива као што су е-горива* и метанол. Због своје способности да рециклира ЦО2 у употребљиве компоненте горива, реакција РВГС се види као обећавајући пут за унапређење одрживе производње енергије.
Превазилажење граница конвенционалних катализатора
Традиционално, РВГС реакција најбоље функционише на температурама изнад 800 °Ц. Катализатори на бази никла се често користе јер могу да издрже такву топлоту, али временом губе перформансе како се честице скупљају, смањујући површину и ефикасност. Рад на нижим температурама избегава овај проблем, али такође доводи до стварања нежељених нуспроизвода као што је метан, смањујући излаз угљен моноксида.
Да би процес учинили ефикаснијим и приступачнијим, истраживачи су тражили катализаторе који остају високо активни у условима ниских температура. КИЕР тим је успео развојем новог катализатора на бази бакра који даје изванредне резултате на само 400 °Ц.
Пробој у дизајну бакарног катализатора
Новопроизведени катализатор мешаног оксида бакар-магнезијум-гвожђе надмашио је комерцијалне бакарне катализаторе, производећи угљен моноксид 1,7 пута брже и са 1,5 пута већим приносом на 400 °Ц.
Бакарни катализатори имају кључну предност у односу на никл: они могу селективно да производе само угљен моноксид на температурама испод 400 °Ц без стварања метана. Међутим, термичка стабилност бакра обично слаби близу те температуре, што доводи до агломерације честица и губитка активности.
Да би решио овај изазов, тим др. Куа уградио је слојевиту двоструку хидроксидну (ЛДХ) структуру у свој дизајн. Ова слојевита структура садржи танке металне лимове са молекулима воде и ањонима између њих. Подешавањем односа и врсте металних јона, истраживачи су фино подесили физичке и хемијске карактеристике катализатора. Додавање гвожђа и магнезијума помогло је да се попуне празнине између честица бакра, ефикасно спречавајући згрушавање и побољшавајући отпорност на топлоту.
Инфрацрвена анализа и тестирање реакција у реалном времену открили су зашто нови катализатор ради тако добро. Конвенционални бакарни катализатори претварају ЦО2 у угљен моноксид преко интермедијарних једињења која се називају формати. Нови материјал, међутим, у потпуности заобилази ове интермедијере, претварајући ЦО2 директно у ЦО на својој површини. Пошто избегава нежељене реакције које производе метан или друге нуспроизводе, катализатор одржава високу активност чак и на релативно ниској температури од 400 °Ц.
Рекордни учинак и глобални значај
На 400 °Ц, катализатор је постигао принос угљен моноксида од 33,4% и стопу формирања од 223,7 микромола по граму катализатора у секунди (μмол·гцат⁻¹·с⁻¹), одржавајући стабилност током више од 100 непрекидних сати. Ови резултати представљају 1,7 пута већу брзину формирања и 1,5 пута већи принос од стандардних бакарних катализатора. У поређењу са катализаторима на бази платине, који су скупи, али веома активни, нови катализатор их је ипак надмашио са 2,2 пута бржом стопом формирања и 1,8 пута већим приносом. Ово га сврстава међу ЦО са најбољим учинком2 катализатори конверзије у свету.
„Нискотемпературни ЦО2 Технологија катализатора хидрогенације је револуционарно достигнуће које омогућава ефикасну производњу угљен-моноксида коришћењем јефтиних и богатих метала“, рекао је др Кее Иоунг Коо, водећи истраживач пројекта. „Може се директно применити на производњу кључних сировина за одржива синтетичка горива. Идући даље, наставићемо наше истраживање како бисмо проширили његову примену на стварна индустријска окружења, чиме ћемо допринети реализацији неутралности угљеника и комерцијализацији одрживих технологија производње синтетичких горива.“
Напомене
* Е-горива су синтетичка горива произведена комбиновањем зеленог водоника, произведеног обновљивом електричном енергијом, и заробљеног ЦО2 из атмосфере или одрживе биомасе. Појављују се као обећавајућа алтернатива конвенционалним фосилним горивима, посебно за секторе који се тешко декарбонизују као што су авијација и поморство.
Налази истраживања објављени су на интернету у мају 2025 Примењена катализа Б: животна средина и енергијаводећи часопис у области енергетике и катализе животне средине. Студија је подржана од стране КИЕР-овог Р&Д пројекта „Развој технологије производње е-САФ (одрживог авионског горива) од угљен-диоксида и водоника.
