CO2 Tehditten Faydaya Nasıl Dönüştürülür?
İnsanların çok fazla karbondioksit salgıladığı bir sır değil. Bu gaz halindeki aşırı doygunluğun neden olduğu felaketi, iklim değişiklikleri ortaya çıkarıyor. Bazı bilim insanları ve mühendisler CO2 emisyonlarını azaltmak için çalışırken, bazıları ise zaten atmosfere salınan gazla ne yapılacağını bulmak istiyor.
Bilim insanları CO2‘yi yakalayıp izole etmek istemekte bazıları ise bitki yetiştirmeyi ve daha sonra kimyasallara veya plastiklere dönüştürmek için elde edilen biyo kütleyi kullanmayı önermektedir. Bilim insanlarının son zamanlarda konuştuğu diğer bir seçenek karbon yakalama olarak adlandırılıyor. CO2‘yi havadan aldıktan sonra, kimyagerler gazı azaltacak ve kimyasal üretim için yakıtlara ve ham bileşenlere dönüştürecektir. 2020’de bilim insanları konuyla ilgili 1.700’den fazla makale yayınladılar. 2010 yılında 500’den az yayın vardı.
Maliyet açısından bakıldığında, CO2‘yi yararlı kimyasallara dönüştürmenin en umut verici yolu elektrokimyadır. Bu yöntemle CO2‘nin azalmasını sağlamak için bir sistem boyunca elektronlar hareket ettirilir. Bu yaklaşım büyük bir engelle karşı karşıyadır: düşük verimlilik.
Şu anda, CO2‘yi elektrokimyasal olarak azaltan sistemlerin genel verimliliği %20-22 civarında seyrediyor. Bu rakam, sistemin gelen elektriği istenen ürüne ne kadar iyi dönüştürdüğünün bir ölçüsüdür. Bu nedenle, toplam verimliliğin %20’sinde olan bir hücre, enerji kimyagerlerinin %80’inin istediklerini karşılamadığı anlamına gelir. Toronto Üniversitesi’nde 5 yıldan fazla bir süredir CO2 emisyonlarını azaltmak için çalışan bir elektrik mühendisi olan Ted Sargent, bu kadar düşük verimliliğin dev bir atık olduğunu söylüyor.
Ekonomik modellere göre, bu yaklaşımın kimyasallara ve yakıtlara pratik bir yol olması için, kimyagerlerin verimliliği yaklaşık %50 veya 60’a çıkarmaları gerekecektir. Bu verimliliğin altında, bu reaksiyonları sürdürmek için gereken elektrik miktarı, üretilen kimyasalların değerinden daha pahalıya mal olacaktır.
Bu nedenle, kimyagerler verimliliği artırmanın yollarını bulmak için bu hücrelerin çeşitli bileşenlerine bakıyorlar. Bazıları reaksiyonu başlatmak için gereken enerji tüketimini azaltan daha spesifik katalizörler yapmaya çalışmakta. Diğerleri bu hücrelerde kullanılan elektrolitler ve elektrotlar hakkında daha fazla araştırma yapılması gerektiğini düşünüyor.
Sargent ”En azından ekonomik olarak desteklenmemiş bir dünyada rekabet etmek için enerji verimliliğini artırmamız gerekecek” diyor. Ancak araştırmacılar, bunun o kadar kolay olmadığını söylüyor.
Elektrokimya
Elektrokimya, CO2‘yi azaltmak için diğer kimyasal yaklaşımlara göre bir takım avantajlar sunar. İlk olarak, kimyagerler rüzgar ve güneş gibi yenilenebilir enerji kaynaklarını reaksiyonları çalıştırmak için kullanabilirler.
Sargent, bilim insanlarının termal kimya ile ısı üretmek için elektrik kullanabileceğini, ancak bu stratejinin birkaç sorun sunduğunu söylüyor. Birincisi, CO2‘yi azaltmak için termal yöntemlerin karbon içeren ürünlerin büyük bir karışımını oluşturmasıdır. Araştırmacılar bu ürünleri istediklerini elde etmek için ayırabilirler, ancak bu süreç hem enerji kullanımı hem de sürecin karmaşıklığı açısından yüksek bir fiyata gelir. Sonuç olarak, maliyetler artıyor, diyor.
Ayrıca, endüstriyel reaksiyonlarda ısının kullanılması büyük tesis tasarımları gerektirir, çünkü sentezleri uygun maliyetli hale getirmek için ağır koşullar altında büyük reaktörlerde çalışmak zorunludur. Sargent, elektrokimyasal rotaların kimyasal tesisleri ölçeklendirmenin bir yolunu sunduğunu söylüyor.
Rice Üniversitesi’nden bir Elektrokimya uzmanı olan Haotian Wang ”Bu yöntemler aslında oda sıcaklığı ve ortam basıncı altında çalışabilir” diyor. Böylece endüstriyel kimyagerler, tek bir alanda büyük bir bitki yerine birçok alanda daha küçük bitkiler tasarlayabilirler.
CO2yi elektrokimyasal azaltma, yenilenebilir enerji kaynakları ile sorunları çözmeye yardımcı olabilir. Bu enerji kaynakları aralıklı olarak elektrik üretir. Sargent ”Herkes eve gider ve çamaşırlarını saat altıda yıkarsa, ne yazık ki rüzgar saat 6:00’da otomatik olarak esmez.” diyor. Piller birkaç saatlik enerji depolayabilir. Ancak daha uzun süreli depolama için yaz aylarında toplanan güneş enerjisini kışın evlerimizi ısıtmak için daha fazla enerji depolama kapasitesine sahip bir şeye ihtiyacınız var. Sargent, metan veya etanol gibi bir yakıtın hile yapabileceğini söylüyor. Yakıtları nasıl hareket ettireceğimizi zaten biliyoruz, diyor; altyapı var.
Sargent’e göre CO2‘yi bir yakıta dönüştürmenin en iyi yolu elektrokimyadır. “Bu en gerçek ve doğru yoldur” diyor.
CO2‘yi yakıtlar gibi faydalı ürünlere dönüştüren elektrokimyasal sistemler, birlikte çalışması gereken birçok parçaya sahiptir. Bir zar, hücreyi ikiye böler, bir yarısında bir anot ve diğerinde bir katot ile bir elektrolit, hücreyi doldurur ve akımın anottan katoda akmasına izin verir.
CO2 sisteme girer ve katotla etkileşime girer. Katoda gömülü bir katalizör, elektrottan akan elektronları alır ve CO2‘yi istenen ürüne düşürür. Membran, hidroksitin hücrenin katot tarafından anot tarafına seçici olarak difüzyonuna izin verir, burada elektrokimyasal reaksiyonun diğer yarısı, genellikle suyun oksijene oksidasyonu gerçekleşir. Kulağa basit geliyor, değil mi? Ancak olayların zamanlaması önemlidir.
British Columbia Üniversitesi’nden bir malzeme kimyageri olan Curtis Berlinguette ”CO2 ile etkileşime giren protonlara ve elektronlara ihtiyacınız vardır” diyor. Berlinguette, genel olarak, protonların sudan geldiğini, bu nedenle CO2, su ve elektronların hepsinin tam olarak doğru zamanda buluşması gerektiğini söylüyor” Aksi takdirde sorun yaratmaya başlarsınız.” Örneğin, bir reaktan fazla olduğunda, indirgeme durabilir, katalizör çalışmayı durdurabilir veya istenmeyen bir yan reaksiyon oluşabilir.
Bu hücreler birlikte çalışırken, yüksek özgüllüğe sahip olabilirler ve bu biraz dezavantaj olabilir. Bilim insanları farklı bir katalizör, katot, anot ve elektrolit ile tamamen yeni bir sistem inşa etmek gerektiğini söylüyor. Etanol üreten bir kurulum aniden metan üretmeye başlayamaz.
Bu tür elektrokimyasal sistemler büyük ölçeklerde çalışacak kadar verimli olursa, hangi ürünlerin yapılacağına karar vermek büyük ölçüde ekonomiye bağlı olacaktır. Karbon bazlı ürünler için piyasa fiyatı, bileşiğin boyutundan daha karmaşıktır. Sargent, metanın çok fazla enerji depolayabilen bir yakıt olmasına rağmen, piyasa değerinin düşük olduğunu söylüyor. Etanol daha iyidir ve diğer C2 bileşiklerinin değerleri, enerji depolama kapasitesine ve kimya sektörünün potansiyel kullanımlarına bağlı olarak daha yüksek olabilir. C3, C4 ve C5 bileşikleri daha değerlidir, ancak karbon zincirleri uzadıkça fiyat düşmeye başlar. Sargent ‘’O zaman aslında saatlik enerji başına değer kaybetmeye başlıyorsunuz” diyor. Çoğu araştırmacı, daha büyük ve daha değerli bileşiklere geçmeden önce C1 ve C2 bileşikleri yapmaya odaklanmaktadır.
Katalizörün İyileştirilmesi
Bilim insanları, son 5 yıl içinde bu CO2 azaltıcı hücrelerin verimliliğinde büyük iyileştirmeler yapmış olsalar da, Sargent, hala farklı yollar olduğunu söylüyor. Katalizörlerin iyileştirilmesi muhtemelen en yoğun çalışma yapılan araştırma alanıdır. Katalizör kritiktir: reaksiyonu çalıştırmak için ne kadar enerjiye ihtiyaç duyulduğunu kontrol eder ve hangi ürünün yapıldığını belirler.
Katalizör verimsizliğinin kaynağı, aşırı potansiyel olarak adlandırılan bir faktördür. Bir reaksiyonu sürdürmek için teorik olarak ne kadar enerjiye ihtiyaç duyulduğu ile bir reaksiyonun gerçekte ne kadar enerji gerektirdiği arasındaki farktır.
Örneğin, suyu oksijen ve hidrojene bölmek istediğinizde reaksiyonun 1.2 elektron voltuna ihtiyaç vardır. İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü’nde (EPFL) enerji kimyageri olan Xile Hu ”Bu, bir reaksiyon için oraya koymanız gereken minimum enerjinin 1.2 volt olduğu anlamına geliyor” diyor. “Gerçekte, muhtemelen 2 volt’a ihtiyacınız var” diyor. İki sayı arasındaki enerji farkı 0.8 volt.
Hu, bir katalizörle çalışmanın potansiyeli azaltabileceğini söylüyor. Bir termal reaksiyondaki katalizör gibi, bir elektro katalist reaktanları stabilize edilebilir, böylece reaksiyon daha az enerji gerektirir. Calgary Üniversitesi’nden bir hesaplama kimyageri olan Samira Siahrostami, CO2 azaltma reaksiyonlarının birçok adımı olduğunu söylüyor. Katalizörlerin CO2‘yi CO’ya ve daha sonra metana nasıl düşürdüğünü modelliyor. Çalıştığı bir karbon katalizörü ile reaksiyonun sekiz proton ve elektron gerektirdiğini söylüyor. “Bu protonlar ve elektronlar CO2‘e eklenecek. Bu reaksiyonun sekiz farklı temel adım gerektirdiği anlamına geliyor” diyor. En yüksek aşırı potansiyele sahip adım, tüm sistem için aşırı potansiyeli belirler.
Katalizörden Sonrası
Columbia Üniversitesi’nde bir kimya Mühendisi olan Alissa Park, CO2 azaltma sistemi için elektrolitler üzerinde çok az çalışma yapıldığını söylüyor. Etkili bir elektrolit, kimyasalı hücrenin etrafında hareket ettirerek, gitmeleri gereken yere götürür. Birçok elektrolit su bazlıdır. Ancak CO2 suda çok çözünür değil, diyor Park. Yüksek su konsantrasyonuna sahip bir elektrolit içeren bir hücrede, katot katalizörü için mevcut olan CO2 miktarı, reaksiyon oranlarını korumak için yeterli olmayabilir.
Park’ın grubu, CO2‘yi çekmede başarılı olan bir alternatif elektrolit tasarladı. Nanopartikül organik hibrit malzemeler (NOHMs) olarak adlandırılan malzemeler “temelde polimer zincirlerle bağlanmış bir nanopartikül” diyor. Bağlı polimer zincirleri, malzemeleri sıvı benzeri hale getirir ve elektrokimyasal bir hücrede elektrolit görevi almalarını sağlar. Aminler veya eterler gibi bu polimerik kollardaki fonksiyonel gruplar, zayıf elektrostatik etkileşimler yoluyla CO2‘yi yakalar.
Park, elektrota yeterli miktarda CO2 almanın şu anda bir sistemin verimliliğindeki en büyük sınır olmadığını, katalizörlerin CO2‘yi ürüne yeterince hızlı dönüştürmediğini söylüyor. “Ama bir gün, daha iyi katalizörlere sahip olacağız” diyor. Ayrıca, nanopartikül organik hibrit malzemeler (NOHMs) akmak için çok yapışkan, bu yüzden Park’ın grubu viskozitelerini düşürmek için ikincil bir sıvı eklemek için çalışıyor.
Sargent, tüm bu hücrelerin bileşenleriyle ilgili zorluklara rağmen, bilim adamlarının verimlilik oranları konusunda ilerleme kaydettiğini söylüyor. “Sadece birkaç yıl önce kesinlikle %10 enerji verimliliğinin altındaydık” diyor. Araştırma topluluğu harekete geçti ve bu sorunlar üzerinde çok çalıştı. Bu olumlu bir geri bildirim döngüsü yaratıyor, diyor. “Ve henüz bitirdiğimizi sanmıyorum.”
Kaynak: cen.org
