Da bi upravljali atmosferskim ugljen-dioksidom i pretvorili gas u koristan proizvod, naučnici iz Kornela su skinuli prašinu sa arhaične — sada stare 120 godina — elektrohemijske jednačine. Grupa ima za cilj da osujeti posledice globalnog zagrevanja i klimatskih promena primenom ove davno zaboravljene ideje na nov način.
Proračun – nazvan Kotrelova jednačina za hemičara Frederika Gardnera Kotrela, koji ju je razvio 1903. – može pomoći današnjim istraživačima da razumeju nekoliko reakcija koje ugljen-dioksid može da podnese kada se elektrohemija primenjuje i pulsira na laboratorijskoj klupi.
Njihov rad je objavljen 27. marta u časopisu ACS Catalisis.
„Što se tiče ugljen-dioksida, što bolje razumemo reakcione puteve, to bolje možemo da kontrolišemo reakciju – a to je ono što želimo dugoročno“, rekao je glavni autor Rileigh Casebolt DiDomenico, student doktorskih studija na Smith School of Chemical and Biochemical School. Inženjering, u Cornell Engineeringu pod nadzorom prof. Tobiasa Hanratha.
Elektrohemijska redukcija ugljen-dioksida predstavlja priliku da se gas transformiše iz ekološke odgovornosti u sirovinu za hemijske proizvode ili kao medijum za skladištenje obnovljive električne energije u obliku hemijskih veza, kao što to čini priroda.
„Ako imamo bolju kontrolu nad reakcijom, onda možemo da napravimo ono što želimo, kada to želimo“, rekao je DiDomeniko. „Cottrell jednačina je alat koji nam pomaže da stignemo tamo.“
Jednostavnim rečima, jednačina opisuje promenu izmerene elektrohemijske struje u odnosu na određene reference na vreme tokom eksperimenta. Ono što to znači u laboratoriji je da se ugljen-dioksid podvrgava različitim primenjenim potencijalima koji se povećavaju ili smanjuju, ili pulsiraju, a oni, zauzvrat, stvaraju struju koja je povezana sa proizvodima nastalim redukcijom ugljen-dioksida.
DiDomenico se prvi put susreo sa ovom antičkom jednačinom kao doktorant na času koji je predavao Hector Abruna, profesor hemije i hemijske biologije Emile M. Chamot, na Koledžu umetnosti i nauka, viši autor rada.
Zaintrigirana nakon što je Abrunja to spomenula na času, DiDomenico je primenila Kotrelovu jednačinu u svom radu o smanjenju ugljen-dioksida. Promenila je elektrohemijske vrednosti (kao što je primenjeni potencijal) ili vremensku skalu, da bi generisala druge proizvode dobijene iz gasa.
Kao primer, jednačina omogućava istraživaču da identifikuje i kontroliše eksperimentalne parametre da uzme ugljen-dioksid i pretvori ga u korisne ugljenične proizvode kao što su etilen, etan ili etanol.
U početku je DiDomenico mislila da je dobila čudne rezultate, ali je kasnije potvrdila da je eksperimente sprovela ispravno.
„Pokušavao sam da promenim profil pulsa da bih posebno napravio etilen primenom onoga što sam učio na času da vidim da li odgovara“, rekao je DiDomeniko. „Shvatio sam da je to zapravo način na koji možemo identifikovati mehanizam za smanjenje ugljen-dioksida u koristan proizvod.“
Mnogi istraživači danas koriste napredne računarske metode da bi pružili detaljnu atomističku sliku procesa na površini katalizatora, ali ove metode često uključuju nekoliko nijansiranih pretpostavki, koje komplikuju direktno poređenje sa eksperimentima, rekao je stariji autor Tobias Hanrath, profesor Marjorie L. Hart ’50. inženjera, na Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering.
„Veličanstvenost ove stare jednačine je u tome što postoji vrlo malo pretpostavki“, rekao je Hanrat. „Ako unesete eksperimentalne podatke, dobijate bolji osećaj istine. To je stari klasik. To je deo za koji sam mislio da je prelep.“
Abrunja je uživala gledajući primenjenu jednačinu. „Ova jednačina opisuje šta se dešava kada se nametne potencijalni korak, tako da pređete sa jednog napona na drugi, a zatim pogledate rezultujući strujni prelaz“, rekao je on. „Analizom rezultata možete izvući zanimljive i važne mehaničke informacije i detalje. Samo ako niste elektrohemijski štreber poput mene, verovatno ne znate mnogo o tome.
„Ljudi koji se bave smanjenjem ugljen-dioksida su mnogo više u distribuciji proizvoda, ili u inženjerskim aspektima toga“, rekao je Abrunja. „Ovde koristimo veoma jednostavan model koji je funkcionisao neverovatno dobro. Skoro je sramotno dobar.“
DiDomenico je rekao: „Zato što je starija, Kotrelova jednačina je zaboravljena tehnika. To je klasična elektrohemija. Bilo je cool da je vratimo u prvi plan ljudi. I mislim da će ova jednačina pomoći drugim elektrohemičarima da proučavaju sopstvene sisteme.“
