Kore Enerji Araştırma Enstitüsü’nün (KIER) Hidrojen Araştırma Bölümü’nden Dr. Kee Young Koo liderliğindeki bir araştırma ekibi, ters su-gaz değişim reaksiyonu için birinci sınıf bir katalizör geliştirdi ve önemli bir sera gazı olan karbondioksiti çevre dostu yakıtlar için önemli bir yapı taşına dönüştürdü.
Araştırma bulguları internette yayınlandı Uygulamalı Kataliz B: Çevre ve Enerji.
Ters su-gaz değişimi (RWGS) reaksiyonu, karbondioksiti (CO₂) bir reaktörde hidrojen (H₂) ile reaksiyona sokarak karbon monoksit (CO) ve suya (H₂O) dönüştüren bir teknolojidir. Ortaya çıkan karbon monoksit, e-yakıtlar ve metanol gibi sentetik yakıtlar için yapı taşı görevi gören sentez gazı üretmek üzere kalan hidrojenle birleştirilebilir. Bu, RWGS reaksiyonunu çevre dostu yakıt endüstrisini yönlendirmek için umut verici bir teknoloji haline getiriyor.
Ters su-gaz kaydırma (RWGS) reaksiyonu, 800 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda daha yüksek karbon dioksit dönüşümü sağlar ve bu nedenle, diğer metallerle karşılaştırıldığında üstün termal stabiliteleri ile bilinen nikel bazlı katalizörler tipik olarak kullanılır. Bununla birlikte, bu kadar yüksek sıcaklıklara uzun süre maruz kalmak, partikül topaklaşmasına neden olarak katalitik aktivitenin azalmasına neden olur.
Daha düşük sıcaklıklarda metan gibi yan ürünler oluşur ve bu da karbon monoksit verimliliğini azaltır. Bu nedenle mevcut araştırmalar, proses maliyetlerini azaltmak ve verimliliği artırmak amacıyla düşük sıcaklık koşullarında bile yüksek aktiviteyi koruyan katalizörlerin geliştirilmesine odaklanıyor.
KIER araştırma ekibi, uygun maliyetli ve bol miktarda bakır bazlı bir katalizör geliştirerek geleneksel katalizörlerin sınırlamalarının üstesinden geldi. Yeni geliştirilen bakır-magnezyum-demir karışık oksit katalizörleri, 400 °C’de ticari bakır katalizörlere göre 1,7 kat daha hızlı ve 1,5 kat daha yüksek verimle karbon monoksiti başarıyla üretti.
Nikel katalizörlerin aksine, bakır bazlı katalizörler, metan gibi yan ürünler oluşturmadan, 400 °C’nin altındaki sıcaklıklarda seçici olarak yalnızca karbon monoksit üretebilir. Ancak zorluk, bakırın termal stabilitesinin yaklaşık 400 °C’de önemli ölçüde azalmasıdır. Azalan termal stabilite, katalizörün genel stabilitesini önemli ölçüde azaltan partikül topaklaşmasına yol açar.
Bu sorunu çözmek için araştırma ekibi katmanlı bir çift hidroksit (LDH) yapısı uyguladı. Bu yapı, su molekülleri ve anyonların ince metal katmanlar arasına yerleştirildiği sandviç benzeri bir forma sahiptir ve metal iyonlarının türleri ve oranları ayarlanarak çeşitli fiziksel ve kimyasal özellikler elde edilebilmektedir.
Ekip, demir ve magnezyumu birleştirerek bakır parçacıkları arasındaki boşlukları doldurarak parçacıkların topaklanmasını önledi ve böylece termal stabiliteyi arttırdı.
Gerçek zamanlı kızılötesi analiz ve reaksiyon deneyleri sayesinde araştırmacılar, yeni geliştirilen katalizörün neden geleneksel katalizörlerden daha iyi performans gösterdiğini belirlediler. Geleneksel bakır katalizörleri kullanıldığında, karbondioksit ve hidrojen ilk olarak format ara maddeleri oluşturmak üzere reaksiyona girer ve bunlar daha sonra karbon monoksite dönüştürülür.
Buna karşılık, yeni katalizörün, ara maddeler oluşturmadan, katalizör yüzeyinde doğrudan karbon dioksiti karbon monoksite dönüştürdüğü bulundu. Gereksiz ara ürünler veya metan yan ürünlerinin üretilmesini önlediği için katalizör, 400 °C gibi nispeten düşük sıcaklıkta bile yüksek aktiviteyi korur.
Araştırma ekibi tarafından geliştirilen katalizör, 400 °C’de 100 saatten fazla stabil çalışırken %33,4’lük bir karbon monoksit verimine ve saniyede katalizör gramı başına 223,7 mikromol (μmol·gcat⁻¹·s⁻¹) oluşum hızına ulaştı. Bu performans, ticari bakır katalizörlerle karşılaştırıldığında karbon monoksit oluşum oranında 1,7 kattan fazla bir artışı ve verimde 1,5 kattan fazla bir artışı temsil etmektedir.
Ayrıca, düşük sıcaklıklarda yüksek aktivite sergileyen platin gibi soy metal katalizörlerle karşılaştırıldığında, yeni katalizör 2,2 kat daha yüksek oluşum hızı ve 1,8 kat daha yüksek verim göstererek dünya çapında en iyi performans gösteren katalizörlerden biri oldu.
Baş araştırmacı Dr. Kee Young Koo şunları söyledi: “Düşük sıcaklıkta CO₂ hidrojenasyon katalizör teknolojisi, ucuz ve bol metaller kullanılarak karbon monoksitin verimli bir şekilde üretilmesini sağlayan çığır açıcı bir başarıdır. Sürdürülebilir sentetik yakıtlar için temel hammaddelerin üretimine doğrudan uygulanabilir.
“İleriye dönük olarak, uygulamasını gerçek endüstriyel ortamlara genişletmek için araştırmamıza devam edeceğiz, böylece karbon nötrlüğünün gerçekleştirilmesine ve sürdürülebilir sentetik yakıt üretim teknolojilerinin ticarileştirilmesine katkıda bulunacağız.”
