Istraživači sa Univerziteta u Bonu i Univerziteta u Montrealu razvili su novi tip katalizatora i koristili ga u svojoj studiji za proizvodnju metana iz ugljen-dioksida i vode na visoko efikasan način koristeći električnu energiju. Metan se može koristiti, na primer, za grejanje stanova ili kao polazni materijal u hemijskoj industriji. Takođe je glavna komponenta prirodnog gasa.
Međutim, ako se proizvodi korišćenjem zelene struje, uglavnom je klimatski neutralan. Uvidi stečeni iz modela sistema koji su proučavali istraživači mogu se preneti na velike tehničke katalizatore. Sistem bi se takođe mogao koristiti za proizvodnju drugih važnih hemijskih jedinjenja. Studija je objavljena u časopisu Nature Chemistry.
Mnoge hemijske reakcije zahtevaju energiju za početak i ova energija se može dodati, na primer, zagrevanjem reakcionih partnera ili njihovim izlaganjem visokom pritisku. „Umesto toga koristili smo električnu energiju kao pokretačku snagu“, objašnjava prof. dr Nikolaj Kornijenko. „Koristeći električnu energiju pogodnu za klimu, možemo proizvesti, na primer, metan koji ne doprinosi globalnom zagrevanju.“
Istraživač se nedavno preselio sa Univerziteta u Montrealu na Institut za neorgansku hemiju na Univerzitetu u Bonu. Svoju najnoviju studiju započeo je još u Kanadi i završio u svom novom domu. „Proizvodnja metana — koji ima hemijsku formulu CH 4 — je izazovna jer je potrebno izvršiti reakciju između gasa i tečnosti“, kaže Kornienko.
U ovom slučaju govorimo o ugljen-dioksidu (CO 2 ) i vodi (H 2 O). Istraživači su koristili elektrodu za difuziju gasa da spoje ova dva partnera. U reakciji je potrebno odvojiti dva atoma kiseonika od atoma ugljenika i zameniti ih sa četiri atoma vodonika. Vodonik se dobija iz vode.
Problem sa ovim procesom je u tome što bi voda radije prošla kroz drugu reakciju i podelila bi se na vodonik i kiseonik čim je izložena električnoj struji. „Ovo je konkurentska reakcija koju moramo da izbegnemo“, naglašava Kornijenkov pomoćnik Morgan Meki, koji je izveo veliki deo eksperimenata.
„U suprotnom, to bi nas zaustavilo da proizvodimo bilo kakav metan. Zbog toga moramo sprečiti da voda dođe u kontakt sa elektrodom. Istovremeno, voda nam je i dalje potrebna kao reakcioni partner.“
Ovo je mesto gde novorazvijeni katalizator – koji se taloži na elektrodu – stupa u igru. On pre svega obezbeđuje da ugljen-dioksid reaguje lakše i brže da bi proizveo metan. To postiže svojim takozvanim „aktivnim centrom“ koji drži ugljen-dioksid i – jednostavnim rečima – takođe slabi veze između atoma ugljenika i dva atoma kiseonika.
Ovi atomi kiseonika se zatim postepeno zamenjuju sa četiri atoma vodonika u sledećem koraku. Katalizatoru je potrebna voda u ovoj fazi procesa. Međutim, takođe mora da se drži na udaljenosti da bi se izbegle neželjene nuspojave. „Da bismo to postigli, vezali smo duge molekularne bočne lance za aktivni centar“, objašnjava prof. Kornienko, koji je takođe član Transdisciplinarnog istraživačkog područja „Materija“ na Univerzitetu u Bonu. „Njihova hemijska struktura odbija vodu ili, drugim rečima, oni su hidrofobni.
Bočni lanci ne samo da drže molekule H 2 O dalje od aktivnog centra i elektrode, već deluju i kao neka vrsta transportne trake.
Slikovito rečeno, oni otimaju atome vodonika iz molekula vode i transportuju ih do aktivnog centra, gde reaguju sa atomom ugljenika. Na ovaj način, CO 2 se pretvara u CH 4 u nekoliko koraka.
Ovaj proces ima efikasnost veću od 80% i reakcija kao rezultat ne proizvodi gotovo nikakve neželjene sporedne proizvode. Ipak, katalizator nije baš pogodan za proizvodnju metana velikih razmera. „Principi reakcije koje smo postigli sa ovim katalizatorom mogli bi se, međutim, realizovati u drugim katalizatorskim materijalima za upotrebu u velikim tehničkim aplikacijama“, kaže Kornienko.
Istraživač veruje da proizvodnja metana nije jedina oblast primene ove metode. Po njegovom mišljenju, mogao bi se pokazati unosnijim u proizvodnji drugih hemijskih jedinjenja kao što je etilen, koji se koristi kao polazni materijal za mnoge plastike.
Srednjoročno, nova metoda katalizatora bi se stoga mogla koristiti tamo gde je to moguće kako bi proizvodnja plastike bila ekološki prihvatljivija.
