Globální klimatická změna představuje stále aktuálnější problém. Cílené snižování objemu oxidu uhličitého v atmosféře může probíhat podle různých technických scénářů. Vědci z RMIT University v Sydney navrhují jeho transformaci do pevného skupenství a následné bezpečné skladování.
Důsledky globální změny klimatu začínají být citelné, a pokud jejich příčiny nebudeme dostatečně, včas a účinně řešit, dojde pravděpodobně k výraznému zhoršení životních podmínek na celé planetě. Nejdiskutovanějším skleníkovým plynem je v současnosti oxid uhličitý (CO2). Snížení jeho emisí je předmětem intezivního zájmu mnoha vědeckých týmů i politických reprezentací řady zemí světa. V prosinci 2015 byla přijata Pařížská dohoda, která vymezuje dlouhodobý plán ochrany klimatu s cílem odstraňování skleníkových plynů z atmosféry.
V posledních letech se objevuje pojem negativní emisní technologie (NET), která by měla snižovat emise CO2 i ostatních skleníkových plynů. Jednou z technických možností skrývajících se pod tímto pojmem je tzv. carbon capture and storage (CCS), tedy zachycování a skladování uhlíku, resp. oxidu uhličitého.
Metoda CCS umožňuje separovat CO2 od dalších (v průmyslových provozech sekundárně produkovaných) plynů a ukládat jej pod zemský povrch. CO2 tak lze považovat za „neemitovaný“. Hlavní problém této technologie však představuje riziko zpětného úniku skladovaného CO2 do atmosféry.
Aby jeho uložení bylo skutečně trvalé, je nutné splnit řadu poměrně náročných podmínek. Podstatné je například umístění úložiště nejméně kilometr pod povrchem země, dále pak dostatečně porézní geologická struktura podloží, schopná CO2 pod tlakem absorbovat, a konečně neporézní geologická struktura, která překrývá spodní horninu a funguje jako účinná záklopka.
V případě uskladňování kapalného CO2 představuje problém řada malých molekul (CO, C2H4, CH4, HCO2H a CH3OH), které vznikají při redukci CO2. Ačkoli jsou běžně pro další využití v chemickém průmyslu zajímavé, pro účely neomezeného odstraňování CO2 z atmosféry znamenají spíše nežádoucí faktor, neboť v řádech gigatun zatěžují jako polutanty životní prostředí.
Jedním z budoucích řešení by mohla být negativní emisní technologie využívající chemickou přeměnu emitovaného plynného CO2 na pevné produkty. Pevné látky jsou netěkavé, a proto z hlediska neomezeného skladování nejekologičtější.
Výzkumný tým vedený odborníky z australské RMIT University v Sydney nedávno představil technologii chemické přeměny CO2 až na uhlíkaté tuhé částice. Potenciálně může tato technologie skutečně přispět k řešení globálního klimatického problému.
Protože je CO2 stabilní molekula, její redukce až na pevný produkt byla velkou výzvou. Jakýkoli vznikající uhlíkatý produkt totiž může pokrývat povrch katalyzátoru, zablokovat jeho katalyticky aktivní místa, a způsobit tak jeho až trvalé poškození procesem zvaným koksování. Vědecký tým proto použil pro kontinuální redukci CO2 na uhlíkaté a grafitové produkty katalyzátory na bázi kapalných kovů (liquid metals, LM), které vykazují značnou odolnost vůči deaktivaci koksováním. Kapalný stav katalyzátoru totiž znemožňuje ulpívání uhlíkatých produktů na jeho povrchu vyrušením van der Waalsových sil mezi vedlejšími produkty reakce a povrchem kapalného kovu.
Hledání vhodného kovového katalyzátoru představovalo pro vědecký tým zásadní otázku. Volba nakonec padla na slitiny galia, které zůstávají kapalné i při pokojové teplotě, nejsou toxické a jsou schopné rozpustit většinu ostatních kovových prvků v katalyticky vhodných koncentracích.
Pro popisovaný pokus byl použit galistan, eutektická směs galia (Ga), india (In) a cínu (Sn). Galinstan je však katalyticky neaktivní elektrodou, jejíž aktivitu bylo nutné zvýšit přidáním elementárního ceru (Ce). Výhodou ceru je, že je dobře rozpustný v kapalném galiu a jeho slitinách, oxidy ceru redukují CO2 na CO a oxid ceritý (Ce2O3) a tvoří při pokojové teplotě na povrchu kapalného kovu tenkou vrstvu. Zkušebními pokusy bylo zjištěno, že nejaktivnější je elektroda s obsahem elementárního ceru 3 %, a to již při nízkých reakčních potenciálech.
Katalyzovanou reakcí vzniká uhlíkatý amorfní materiál v podobě malých aglomerovaných plochých destiček. Elementární analýza potvrdila složení o obsahu uhlíku 84,49 % a kyslíku 14,99 %, s přítomností převážně jednoduchých a dvojných vazeb C-C a C=C a s kovalentně vázaným kyslíkem C-O. Tyto amorfní uhlíkaté nanočástice měly tloušťku cca 3 nm.
Nový elektrochemický proces na LMCe elektrodě, který je schopen přeměnit plynný CO2 na pevné amorfní uhlíkaté nanočástice při nízkém nástupním potenciálu, bez rizika koksování a navíc při pokojové teplotě určitě zaslouží pozornost.
Jak uvedl výzkumný pracovník Torben Daeneke: „Sice nemůžeme vrátit čas, nicméně přeměnit oxid uhličitý zpět na uhlí a vrátit jej zpátky pod zemský povrch je tak trochu jako přetočit emisní hodiny.“ Díky němu by se tak mohlo začít mluvit o tzv. uhlíkově neutrální budoucnosti.
Bonusem reakce je fakt, že izolované pevné uhlíkaté částice vykazují vysoce porézní strukturu v důsledku vzniku aglomerované deskové morfologie, čehož by mohlo být v budoucnosti využito například k výrobě nových elektrod. Vedlejší produkt CO by mohl být navíc využit jako vstupní surovina pro další průmyslové procesy.
Reference:
- Room temperature CO2 reduction to solid carbon species on liquid metals featuring atomically thin ceria interfaces, Dorna Esrafilzadeh, Ali Zavabeti, Rouhollah Jalili, Paul Atkin, Jaecheol Choi, Benjamin J. Carey, Robert Brkljača, Anthony P. O’Mullane, Michael D. Dickey, David L. Officer, Douglas R. MacFarlane, Torben Daeneke & Kourosh Kalantar-Zadeh, Nature Communications, volume 10, Article number: 865 (2019)
- Nadějná zbraň proti CO₂: Nová metoda dokáže přeměnit plyn na tuhý uhlík a ještě přitom vznikne palivo, Jiří Černý, Věda a Technika, Živě, únor 2019