Atmosferde bol miktarda bulunan bir sera gazı, yenilenebilir elektrik enerjisiyle çalışan bir
elektrolizör sayesinde verimli ve çevre dostu bir biçimde sıvı yakıt üretiminde kullanılabilir.
Rice Üniversitesi kimya mühendisliği ve biyomoleküler mühendislik laboratuvarında Haotin Wang tarafından geliştirilen katalitik reaktör, kimyasal hammadde olarak karbondioksit kullanıyor.
“Reaktörün son prototipi, yüksek saflık ve konsantrasyonda formik asit üretiyor. Karbondioksitle çalışan eski tip cihazların ürettiği formik asidin saflaştırılması için masraflı ve yüksek enerji gerektiren bir dizi işlemden geçmesi gerekiyor” diyor Wang. Doğrudan saf formik asit çözeltilerinin üretilebiliyor oluşu, karbondioksit dönüştürücülerin ticari boyutta da kullanılmasına önayak olacak. Çalışmada kullanılan metodun detayları Nature Energy’de yayınlandı. Brown School of Engineering’e Ocak ayında katılan Wang, ekibiyle birlikte sera gazlarından kullanılabilir maddeler üretebilecek teknolojiler geliştirmeye odaklanmış. Testlere göre yeni elektrokatalizörlerinin enerji dönüşümü verimliliği ise yüzde 42 civarında. Bu elektrik enerjisinin neredeyse yarısının sıvı yakıtta, formik asitte, depolanabildiği anlamına geliyor. “Formik asit bir enerji taşıyıcı” diyor Wang ve ekliyor: “Yakıt hücrelerinde kullanıldığında elektrik ve karbondioksit üretecek bir yakıt -ki üretilen bu karbondioksiti de yeniden geri dönüştürebiliriz-. Kimya mühendisliği endüstrisinde formik asit, başka kimyasalların üretilmesinde hammadde olarak da büyük önem taşıyor. Bunu yanı sıra, hidrojen deposu olarak kullanılıyor; eşit hacimdeki hidrojen gazının 1000 katı kadar enerji depolayabiliyor. Hidrojen gazının sıkıştırılması ise oldukça zor ve hidrojenle çalışan arabalar için büyük bir dezavantaj.”
Rice’da doktora sonrası araştırmalarını sürdüren, çalışmanın başyazarı Chuan Xia ise bu yeni aygıtın yapılmasını sağlayan iki gelişmeye değiniyor. Birincisi, iki boyutlu ve dayanıklı bir bizmut katalizörün, ikincisi de tepkimenin tuz kullanmadan gerçekleştirilmesini sağlayan katı halde bir elektrolitin üretilmesi. “Bizmut; bakır, demir ve kobalt gibi geçiş metallerine göre çok daha ağır bir atom. Özellikle tepkimenin gerçekleştiği koşullarda çok yavaş hareket etmesi, katalizörü stabilize ediyor” diyor Wang. Katalizörün korunmasında reaktörün, katalizöre su temas etmeyecek şekilde tasarlanmasının da etkili olduğu belirtiliyor. Xia, tek seferde çok miktarda nanomateryal üretebildiklerini ifade ediyor ve ekliyor: “Şu an katalizörler ancak miligram ya da gram bazında üretilebiliyor; biz bu maddeleri kilogram bazında üretebilecek bir yöntem geliştirdik. Bu sayede geliştirdiğimiz yöntemi endüstriyel boyuta taşımamız daha kolay olacak.”
Ekip, aralıksız 100 saat boyunca formik asit üretmeyi başardı
Polimer bazlı katı elektrolit, pozitif yükleri iletmesi için sülfonik asit ligandlarıyla veya negatif yükleri iletmesi için amino fonksiyonel gruplarıyla kaplanıyor. “Genelde insanlar karbondioksiti indirgemek için tuzlu su gibi sıradan elektrolitler kullanıyorlar” diyor Wang ve şöyle devam ediyor: “Çünkü elektriğin iletilmesini istersiniz fakat saf su fazla dirençli bir elektrolittir. Bu yüzden sodyum klorür ya da potasyum bikarbonat gibi tuzlar ekleyip iyonların suda serbestçe dolaşmasını sağlamanız gerekir. Ancak formik asidi bu şekilde ürettiğinizde tuzlarla karışır. Birçok uygulama içinse tuzları son üründen ayırmak gerekir. Bu da hem maliyetlidir hem de çok enerji ister. Protonların iletilmesini sağlayan ve inorganik maddelerin çözünmez polimerlerinden üretilebilen katı elektrolitler kullandığımızdaysa tuzlara ihtiyacımız kalmadı.”
Ürünün konsantrasyonunu, suyun ürün haznesinden geçiş hızı belirliyor. Şu anki düzenekte yavaş su akışıyla ağırlıkça neredeyse yüzde 30’u formik asit olan bir çözelti elde edilebilirken, suyun akışı hızlandırılarak farklı konsantrasyonlar da elde edilebiliyor. Araştırmacılar, gaz akışıyla saf formik asit buharı elde edilebilecek yeni nesil reaktörlerle daha yüksek konsantrasyonlu ürünler elde etmeyi bekliyorlar. Rice laboratuarı, ilerleyen süreci takip etmek için Brookhaven Ulusal Kütüphanesi ile birlikte çalıştı.“Brookhaven Lab, National Synchrotron Light Source II’nin Inner Shell Spectroscopy (ISS) ışın huzmesi yolunda bulunan çok etkili bir teknik, X-ışınları soğurumu spektroskopisi,
elektrokatalizörlerin elektronik yapılarını kimyasal etkileşim esnasında gözlemlememizi sağladı” diyor makalenin yazarlarından Eli Stavitski ve ekliyor: “Bu çalışmada, bizmutun farklı potansiyellerdeki yükseltgenme basamaklarını takip ederek karbondioksitin indirgenmesinde aktif bir katalizör olacağı durumu tespit ettik.” Şu anki reaktörleriyle ekip, aralıksız 100 saat boyunca formik asit üretmeyi başardı. Üstelik, nano boyutlardaki katalizörler dahil, reaktörün hiçbir parçasında önemli bir hasar oluşmadı. Wang reaktörün asetik asit, etanol, propanol gibi daha değerli yakıtların üretilmesi için de kolaylıkla kullanılabileceğini öne sürüyor.
“Büyük resme bakacak olursak karbondioksitin indirgenmesinin hem küresel ısınmadaki etkisi bakımından hem de çevre dostu kimyasal sentezler için çok önemli olduğunu görüyoruz. Güneş ya da rüzgar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektriği kullanabilirsek, karbondioksiti daha yararlı bir şeye dönüştüren ve daha fazla karbondioksit üretmeyen bir döngü kurabiliriz” diyor Wang.
Kaynak: https://www.sciencedaily.com/releases/2019/09/190903084035.htm
