Araştırmacılar Karbondioksiti Etilene Dönüştürmek için Etkili Bir Yol Keşfettiler
Fotoğraf : Pürüzsüz nanoteli sentezleyen ve ardından CO2’nin etilene indirgenmesi için oldukça seçici olan pürüzlü ve basamaklı yapıdaki yüzeyi elde etmek için bir voltaj uygulayarak onu etkinleştiren ElectroCatalysis sisteminin çizimi.
Caltech ve UCLA Samueli School of Engineering’den bir araştırma ekibi, karbondioksiti verimli bir şekilde, plastik, solvent, kozmetik ve diğer küresel olarak önemli ürünleri üretmek için kullanılan önemli bir kimyasal olan etilene dönüştürmenin umut verici bir yolunu gösterdi.
Bilim insanları, aynı zamanda değerli bir kimyasal olan etileni üretirken sera gazı emisyonlarını indirgeyen bir kimyasal reaksiyonu katalize etmek için özel olarak şekillendirilmiş yüzeylere sahip nano ölçekli bakır teller geliştirdiler.
Reaksiyonun bilgisayar tabanlı çalışmaları, şekillendirilmiş katalizörün, hidrojen veya metan yerine etilen üretimini desteklediğini gösteriyor. Gelişmeyi detaylandıran bir çalışma Nature Catalysis‘te yayınlandı.
Çalışmanın ortak yazarı ve UCLA’da malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü olan Yu Huang, “Küresel iklim değişikliği zorluklarıyla birlikte fosil yakıt tükenmesinin eşiğindeyiz. Sera gazlarını verimli bir şekilde katma değerli yakıtlara ve kimyasal hammaddelere dönüştürebilen malzemeler geliştirmek, gittikçe daha sınırlı hale gelen fosil yakıtları çıkarmaktan vazgeçerken küresel ısınmayı azaltmak için kritik bir adım. Bu entegre deney ve teorik analiz, karbondioksitin geri dönüşümü ve kullanımına yönelik sürdürülebilir bir yol sunuyor.” diyor.
Şu anda, etilenin küresel yıllık üretimi 158 milyon ton. Bunun çoğu plastik ambalajlarda kullanılan polietilene dönüştürülüyor. Etilen, doğal gaz gibi hidrokarbonlardan işleniyor.
Çalışmanın ortak yazarı ve Caltech’den Charles ve Mary Ferkel Kimya, Malzeme Bilimi ve Uygulamalı Fizik Profesörü olan William A. Goddard III, “Bu reaksiyonu katalize etmek için bakır kullanma fikri uzun zamandır var, ancak kilit nokta, endüstriyel üretim için yeterince hızlı olabilmesi için hızı arttırmak. Bu çalışma, etilen üretimini, aksi takdirde atmosfere karışacak olan CO2’yi kullanarak daha yeşil bir endüstriye dönüştürme potansiyeli ile bu işarete doğru sağlam bir yol gösteriyor.” diyor.
Bakırın etilen reaksiyonuna (C2H4) karbondioksit (CO2) indirgemesini başlatmak için kullanılması, iki darbe aldı. Birincisi, ilk kimyasal reaksiyon ayrıca, endüstriyel üretimde istenmeyen ürünler olan hidrojen ve metan da üretti. İkincisi, etilen üretimiyle sonuçlanan önceki girişimler, sistem çalışmaya devam ederken dönüşüm verimliliğinin azalmasıyla uzun sürmedi.
Araştırmacılar, bu iki engelin üstesinden gelmek için, atom ölçeğinde düzenlenmiş bir dizi merdivene benzer, oldukça aktif “basamaklara” sahip bakır nanotellerin tasarımına odaklandılar. Bu ortak çalışmanın ilginç bir bulgusu da, nanotellerin yüzeylerindeki bu basamak modelinin, bu yüksek enerji özelliklerinin kaybolacağına dair genel inancın aksine, reaksiyon koşulları altında stabil kalması oldu. Bu, diğer ürünler yerine etilen üretiminde hem sistemin dayanıklılığının hem de seçiciliğinin anahtarı.
Ekip, aynı koşullar altında en az %10 daha az ürün veren, önceki tasarımlardan çok daha verimli olarak, %70’in üzerinde olan bir karbondioksitten etilene dönüşüm oranı tanıttı. Yeni sistem, bakır bazlı katalizörler için büyük bir gelişme olarak, dönüşüm verimliliğinde çok az bir değişiklik ile, 200 saat çalıştı. Buna ek olarak, yapı-fonksiyon ilişkisinin kapsamlı bir şekilde anlaşılması, son derece aktif ve dayanıklı olan CO2’nin indirgenme katalizörünü çalıştığı sırada tasarlamak için yeni bir perspektif ortaya koydu.
Huang ve Goddard, uzun yıllardır sık sık iş birliği yapıyorlar. Goddard’ın araştırma grubu kimyasal reaksiyonların temelini oluşturan teorik nedenlere odaklanırken Huang’ın grubu yeni malzemeler üretti ve deneyler yaptı. Makalenin baş yazarı, UCLA Samueli’de malzeme bilimi ve mühendisliği alanında yüksek lisans öğrencisi ve Huang’ın laboratuvarının bir üyesi olan Chungseok Choi’dir.
Kaynak: phys.org
