Nowy typ nanokrystalicznej elektrody miedzianej, który katalizuje elektrochemiczną konwersję tlenku węgla m.in. w etanol (C2H5OH) został wykorzystany przez naukowców ze Stanford University w Stanach Zjednoczonych. Inżynierowie sugerują, że ich badania mogą w przyszłości zapewnić możliwość magazynowania energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych oraz uczynić techniki przekształcania gazów zawierających atomy węgla bardziej opłacalnymi. Obiecujące odkrycie może stanowić alternatywą dla konwencjonalnych metod wytwarzania etanolu z roślin.
Etanol (alkohol etylowy) jest coraz częściej reklamowany jako bardziej ekologiczna opcja w porównaniu do paliw kopalnych. Niestety, produkcja biopaliw ma także swoje wady. Uprawy kukurydzy lub innych roślin stosowanych jako surowce zajmują duże powierzchnie, które mogłyby zostać wykorzystane jako tereny dla upraw roślin jadalnych. Ponadto, podobnie jak w przypadku innych roślin zielonych, wymagają one dużych ilości wody i nawozów (w niektórych częściach USA kukurydza do prawidłowego wzrostu potrzebuje nawet około 3028 litrów wody, a uzyskuje się z niej tylko około 11,3 litra etanolu).
Tradycyjna produkcja etanolu przeprowadzana jest w urządzeniach fermentacyjnych z udziałem procesów wysokotemperaturowych. W wyniku reakcji chemicznych, biomasa (kukurydza, trzcina cukrowa i inne rośliny) przetwarzana jest na paliwo ciekłe. Nowa technika zaprezentowana przez Matthew Kanana oraz jego zespół nie wymaga stosowania fermentacji, a jeśli zostanie przeniesiona z laboratorium do skali przemysłowej, może pomóc rozwiązać wiele problemów związanych z konwencjonalnymi metodami fabrykacji etanolu. Szczegółowe wyniki badań dotyczące elektroredukcji tlenku węgla (z ang. carbon oxide, CO) do ciekłego paliwa z użyciem elektrody z nanokrystalicznej miedzi zostały opublikowane w 508 wydaniu czasopisma Nature.
CO2 jest produktem ubocznym wielu naturalnych procesów, jak i skutkiem przemysłowej działalności człowieka. Istnieje wiele katalizatorów, które wspomagają redukcję dwutlenku węgla do tlenku węgla. Niestety, CO także jest gazem, a niska gęstość energetyczna oraz toksyczność dyskwalifikuje tlenek węgla jako materiał opałowy. Dalsza redukcja CO w celu wytworzenia ciekłych paliw, takich jak alkohole jest jednak dużo trudniejsza. Opracowano wiele procesów katalitycznych, w których można wyrabicć alkohole przez połączenie tlenku węgla z wodorem pochodzącym z produkcji gazu ziemnego i gazów towarzyszących ropie naftowej. Niemniej jednak głównym celem naukowców zajmujących się biopaliwami jest użycie czystej wody, jako źródła wodoru. Tego typu reakcje katalizowane są przez miedź, lecz w praktyce większość wodoru z wody wydzielana jest w postaci gazu (H2), zamiast uwodorniania tlenku węgla do wyższych alkoholi.
Badacze ze Stanford University wyprodukowali nową elektrodę z tlenku miedzi (Cu2O). Zwykłe elektrody z powłoką miedzianą powstają na skutek osadzania pojedynczych nanocząsteczek miedzi. Innowacyjne narzędzia również posiadały pokrycie z Cu, ale wytworzone z nanokryształów Cu2O połączonych w ciągłą sieć z dobrze określonymi granicami ziaren. Do przeprowadzenia testów inżynierowie zbudowali komórkę elektrochemiczną – urządzenie składające się z dwóch elektrod umieszczonych w wodzie sztucznie nasyconej tlenkiem węgla. W przypadku standardowej miedzianej elektrody tylko 5% zawartego w wodzie wodoru zostało wykorzystane do redukcji tlenku węgla. Natomiast elektroda z pokryciem z tlenku miedzi była wielokrotnie bardziej efektywna, ponieważ ponad 50% produktu zostało zużyte do syntezy mieszaniny etanolu, octanu, etylenu i propanolu.
Naukowcy podejrzewają, że wyjaśnienie wzrostu efektywności leży w granicach ziaren pomiędzy nanokryształami. Zespół pracuje obecnie nad stworzeniem mapy granic z dokładnością w skali atomowej. Mają nadzieję, że dzięki temu chemicy teoretyczni będą w stanie dokładnie uzasadnić w jaki sposób, w takich miejscach następuje redukcja tlenku węgla.
Inżynierowie są przekonani, że ich tanie i wydajne rozwiązanie zainspiruje innych ludzi do rozwijania katalizatora, przekształcającego tlenek węgla w biopaliwo. Badacze zajmują się obecnie poprawą wydajności produkcji z uwzględnieniem propanolu (posiada on wyższą gęstość energetyczną niż etanol) przez dalsze dostrajanie struktury katalizatora.
Źródło:
[1] Christina W. Li, Jim Ciston, Matthew W. Kanan. Electroreduction of carbon monoxide to liquid fuel on oxide-derived nanocrystalline copper. Nature, 2014; DOI: 10.1038/nature13249
[2] http://www.nature.com/nature/journal/v508/n7497/full/nature13249.html [02.05.2014]
[3] http://www.readcube.com/articles/10.1038/nature13249 [02.05.2014]
[4] http://news.stanford.edu/pr/2014/pr-ethanol-without-plants-040914.html [02.05.2014]
[5] Copper fittings by Tony Hisgett, flickr.com, CC BY 2.0