Daha büyük katalizör partileri karbon geri dönüşümünü daha ucuz ve ölçeklendirmeyi daha kolay hale getirebilir

Karbondioksiti sentetik yakıtlardan plastik ve farmasötik ürünlere kadar her şeyde kullanılan endüstriyel kimyasallara dönüştürmek maliyetlidir. Ancak yeni araştırmalar bunun böyle olması gerekmediğini gösteriyor.

Mississippi Üniversitesi araştırmacısı Ahmed Badreldin ve Texas A&M Üniversitesi’nde makine mühendisliği doktora öğrencisi olan Carter Racine tarafından yapılan bir araştırma, çok daha büyük ölçeklerde karbon geri dönüşüm katalizörleri üretmenin daha basit, daha düşük maliyetli bir yolunu ortaya koyarak ticari olarak benimsenmenin önündeki en büyük engellerden birine değindi. Sonuçlarını dergide yayınladılar ACS Omega.

Ole Miss kimya mühendisliği yardımcı doçenti Badreldin, “Dışarıda bunun için altyapıya sahip, özellikle elektrokimyasal enerji dönüşümü alanında yeni kurulan çok sayıda şirket var, ancak bir darboğaza ulaşıyorlar” dedi.

“Gelişmiş nanoyapılı katalizörlerin çoğu şu anda miligram ölçeğinde (genellikle 50 ila 100 miligram civarında) geliştiriliyor ve geleneksel, gümüş bazlı katalizörlere dayanıyorlar. Tek bir sentezde, gelişmiş tek atomlu elektrokatalizörlerin performansını kaybetmeden 75 gramlık partiler yapabileceğimizi başarılı bir şekilde gösterdik.”

Emisyonlardan hammaddeye

Karbondioksit, ülkenin insan faaliyetlerinden kaynaklanan sera gazı emisyonlarının %80’ini oluşturuyor ve ABD, Hastalık Kontrol ve Önleme Merkezlerinin veri sağladığı son yıl olan 2022’de yaklaşık 5 milyar metrik ton karbondioksit üretti.

Araştırmacılar, gazın iklim değişikliğine katkıda bulunduğu atmosfere karbondioksit emisyonları salmak yerine, onu yakalayıp karbon monoksite dönüştürmek istiyor. İnsanlar için zehirli olmasına rağmen karbon monoksit, yakıt, plastik, ilaç ve diğer ürünlerin üretiminde kullanılan endüstriyel bir yapı taşıdır.

Racine, “Hidrokarbon endüstrisinde genellikle sadece karbon monoksit ve hidrojenin birbirine karıştırılmasından oluşan sentez gazından bahsediyorlar” dedi. “Birbirleriyle karıştırıldıklarında, aslında ihtiyacımız olan diğer kimyasalları üretmek için bir yapı taşı oluyorlar.

“Bu gerçekten sahip olabileceğimiz en basit karbon şeklidir ve eğer onu yeşil hidrojenle eşleştirirsek, bu yapı taşlarını, aksi takdirde işlenmemiş fosil yakıtlarla üretilecek olan tüm kimyasalları yapmak için kullanabiliriz.”

Darboğazın aşılması

Racine, karbondioksitin karbon monoksite dönüştürülmesinin zaten mümkün olduğunu, ancak katalizör oluşumunun yavaş hızının, karbon geri dönüşümünü endüstri dostu hale getirme çabalarının önünde bir engel oluşturduğunu söyledi.

“Parti başına 100 miligram üretiyorsanız, 10 metrekarelik alanı kaplamaya yetecek kadar katalizör üretmeniz bir yıl veya daha fazla zaman alır” dedi. “Eğer bu çalışmada olduğu gibi bir partide 75 gram üretebilirsek, birkaç gün içinde bu teknolojilerin büyük bir ticari uygulaması için yeterli katalizörü üretebiliriz.”

Katalizörlerin küçük partiler halinde üretilmesi daha fazla zaman ve enerji gerektirir, dolayısıyla maliyetler artar. “‘Bunu yapmak için ne kadar elektriğe ihtiyacımız var?’ en önemli husus bu,” dedi Racine. “Bunu daha büyük partiler halinde yapabilmek, bunu büyük ölçekte yapmanın lojistiğini ve fizibilitesini kanıtlıyor.”

Nikel ve demirden oluşan tek atomlu katalizör tasarımı kullanan yeni katalizör, geri dönüşüm maliyetini ton başına 145 dolara, yani mevcut piyasa fiyatının yaklaşık 255 dolar altına düşürebilir. Ayrıca mevcut yöntemlere göre yaklaşık %25 daha az emisyona sahip olacak.

Badreldin, “Şu anda hedef büyük ölçüde ulusal güvenliğe dayanıyor” dedi. “Bu, ABD’nin sanayi için gerekli olan yakıtlar ve kimyasallar için kendi tedarik zincirini kurmasına olanak tanıyabilir.

“Dünyadaki kimya endüstrilerinin çoğu bir yerde merkezileştirilmiştir, ancak bu teknolojiyle bunu merkezi olmayan hale getirebiliriz.”

Daha küçük, yerel sistemler için tasarlandı

Elektrokimyasal sürecin kurulumunun modüler olduğunu, yani şirketlerin geri dönüştürdükleri karbon miktarını endüstrinin ihtiyaçlarına göre ölçeklendirebileceklerini söyledi.

“Örneğin CO kullanmaya çalışıyorsanız₂ Üretim hattınız için ihtiyaç duyabileceğiniz etilen veya etanolü üretmek için çok büyük bir elektrokimyasal tesise sahip olmanıza veya ürünü olan bir yerden satın almanıza gerek yok” diyen Badreldin şöyle devam etti: “İhtiyacınız olan hacmi üretmeye yetecek büyüklükte bir yığına sahip olabilirsiniz.

“Bu, geleneksel kurulumla yapamayacağınız bir şey.”

İstikrar en önemli test olmaya devam ediyor

Racine, aşılması gereken son engelin, süreci endüstriyel kullanım için yeterince istikrarlı hale getirmek olduğunu söyledi. “Gelecekteki araştırmamız uzun vadeli istikrarı bulmaya bakıyor” dedi. “Büyük petrol ve gaz tesisleri ve diğer endüstriyel tesisler, yılın yaklaşık 350 günü 7/24 çalışıyor ve bakımları için bir hafta kadar izin alıyorlar. Bu tesislerin bunu kullanmasını istiyorsak, yaklaşık bir yıl boyunca çalışabilecek bir modele sahip olmamız gerekiyor.

“Biz de böyleyiz ve şimdi herkes bunu anlamaya çalışıyor.”