Międzynarodowa współpraca naukowców opracowała innowacyjne metody przekształcania odpadów w użyteczne materiały z wykorzystaniem energii elektrycznej. Najnowsze badanie opublikowane w czasopiśmie Nature Catalysis ujawnia, w jaki sposób gaz cieplarniany dwutlenek węgla można skutecznie przekształcić w ciekłe paliwo metanol.

Badacze używali cząsteczek kobalt-ftalocyjaniny (CoPc), rozmieszczonych na powierzchni nanorurek węglowych, aby umożliwić reakcję chemiczną. Przepuszczając prąd elektryczny przez roztwór elektrolityczny, cząsteczki CoPc przechwytywały elektrony i przekształcały dwutlenek węgla w metanol. Za pomocą spektroskopii in-situ, po raz pierwszy udało im się zobrazować reakcję chemiczną i śledzić ścieżkę cząsteczek.

Różne ścieżki reakcji prowadzą do powstania metanolu lub tlenku węgla, niepożądanego produktu ubocznego. Kluczowym czynnikiem decydującym o końcowym produkcie jest środowisko, w którym zachodzi reakcja. Kontrolując rozmieszczenie katalizatorów CoPc na powierzchni nanorurek, badacze zdołali zwiększyć produkcję metanolu aż o osiem razy.

Robert Baker, profesor chemii i biochemii na Uniwersytecie Stanowym Ohio i współautor badania, podkreśla znaczenie tego odkrycia: "Przekształcanie dwutlenku węgla w metanol jest szczególnie korzystne ze względu na wysoką gęstość energetyczną metanolu, który może służyć jako alternatywne paliwo."

Choć prace nad przekształcaniem cząsteczek odpadów w użyteczne produkty trwają już od dawna, dotychczasowe podejścia nie pozwalały na śledzenie rzeczywistego przebiegu reakcji. "Optymalizacja empiryczna często nie daje głębokiego zrozumienia, co sprawia, że jeden katalizator jest lepszy od drugiego," mówi Baker. "Nowe techniki i modele komputerowe znacznie poprawiły nasze zrozumienie skomplikowanych procesów."

Główny autor badania, Quansong Zhu, wyjaśnia, w jaki sposób nowy rodzaj spektroskopii wibracyjnej umożliwił szczegółowe śledzenie reakcji molekularnych na powierzchni: "Dzięki sygnaturom wibracyjnym mogliśmy zidentyfikować, że ta sama cząsteczka reaguje w różnych środowiskach, co pozwoliło nam powiązać określone środowiska z produkcją metanolu."

Dalsza analiza wykazała, że cząsteczki bezpośrednio oddziałują z naładowanymi kationami, co zwiększa tworzenie się metanolu. To odkrycie jest kluczowe dla opracowania bardziej efektywnych metod produkcji metanolu. Baker podkreśla potrzebę dalszych badań, aby w pełni zrozumieć wszystkie możliwości, jakie oferują kationy.

Metanol, produkowany z odnawialnych źródeł energii, ma szerokie zastosowanie. Oprócz tego, że jest ekonomicznym paliwem dla samolotów, samochodów i statków, może być również używany do ogrzewania, wytwarzania energii oraz postępu w przyszłych badaniach chemicznych. "Wyniki tego badania otwierają drzwi do wielu ekscytujących przyszłych badań," mówi Baker.

Współautorzy badania to Conor L. Rooney i Hailiang Wang z Uniwersytetu Yale, Hadar Shemu i Elad Gross z Uniwersytetu Hebrajskiego oraz Christina Zeng i Julien A. Panetier z Uniwersytetu Binghamton. Badania były wspierane przez National Science Foundation oraz Binational Science Foundation Stanów Zjednoczonych i Izraela (BSF) w zakresie współpracy międzynarodowej.

Dodatkowo, nowe odkrycia umożliwiają lepszą optymalizację procesów katalitycznych, co może mieć dalekosiężny wpływ na liczne zastosowania przemysłowe. Metanol, jako paliwo o wysokiej gęstości energetycznej, oferuje znaczne korzyści w zakresie magazynowania energii i redukcji emisji gazów cieplarnianych. Wykorzystując odnawialną energię elektryczną do produkcji metanolu, można osiągnąć bardziej zrównoważony sposób korzystania z zasobów i zmniejszyć zależność od paliw kopalnych.

Oprócz sektora energetycznego, metanol ma potencjalne zastosowanie w przemyśle chemicznym jako surowiec do produkcji różnych chemikaliów i materiałów. Opracowanie efektywnych metod przekształcania dwutlenku węgla w metanol może również pomóc w redukcji poziomu CO2 w atmosferze, co jest kluczowe w walce ze zmianami klimatycznymi.

Te badania są dopiero początkiem długoterminowych wysiłków mających na celu optymalizację procesów katalitycznych i rozwój nowych technologii przekształcania odpadów w cenne zasoby. Kontynuacja badań i współpraca między naukowcami na całym świecie będzie kluczowa dla dalszych postępów w tej dziedzinie.

Robert Baker i jego zespół planują już dalsze badania, aby dokładniej zbadać potencjalne zastosowania tych odkryć. "Jest wiele ekscytujących możliwości do zbadania," mówi Baker. "Nasze dotychczasowe wyniki są bardzo obiecujące i nie możemy się doczekać przyszłych odkryć."

Współpraca między różnymi instytucjami badawczymi i wsparcie organizacji finansowych, takich jak National Science Foundation i Binational Science Foundation Stanów Zjednoczonych i Izraela (BSF), odgrywają kluczową rolę w umożliwieniu tych badań. Dzięki ich wsparciu naukowcy mogą kontynuować prace nad innowacyjnymi projektami, które mają potencjał znacząco przyczynić się do zrównoważonego rozwoju i ochrony środowiska.

Ostatecznie, udane przekształcenie dwutlenku węgla w metanol stanowi znaczący krok naprzód w wykorzystywaniu odpadów jako zasobu i redukcji emisji gazów cieplarnianych. Kontynuacja badań w tej dziedzinie otwiera nowe możliwości dla rozwoju zrównoważonych technologii, które mogą pomóc w zachowaniu naszej planety dla przyszłych pokoleń.

Źródło: Ohio State University