Ένα τεχνητό φύλλο που μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας απευθείας σε καύσιμο θα ήταν δυνατόν να αλλάξει την όψη του κόσμου μας
Ακούμε τις ειδήσεις και μας λένε ότι αυτή είναι η θερμότερη χρονιά όλων των εποχών - αφότου τουλάχιστον άρχισε να καταγράφεται η θερμοκρασία.
Διαβάζουμε τις περιβαλλοντικές μελέτες που μας λένε ότι η αυξανόμενη απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα κάνει τον πλανήτη... χύτρα ταχύτητας. Παράλυτοι από την ανημποριά, αναρωτιόμαστε: «Από τα τόσα εκατομμύρια επιστημόνων και μηχανικών της ανθρωπότητας, ακόμη να βρεθεί κάποιος που θα προσφέρει λύση στον εφιάλτη;».
Ε, λοιπόν, φαίνεται ότι η ικεσία μας εισακούστηκε: μία ομάδα ερευνητών από το Σικάγο κατασκεύασε ένα φωτοκύτταρο που χρησιμοποιεί το ηλιακό φως για να μετατρέψει το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας κατευθείαν σε καύσιμο.
Για τους τακτικούς αναγνώστες του ΒΗΜΑScience το θέμα αυτό είναι η... ταχύτερα εκπληρούμενη προφητεία: Στις 15 Μαΐου 2016 γράφαμε για το πώς μέσα στα δύο τελευταία χρόνια είχε απομιμηθεί ηλεκτροβιοχημικά τόσο το φαινόμενο της φωτοσύνθεσης όσο και εκείνο της αντιστροφής της (βλ. http://www.tovima.gr/science/article/?aid=798992). Το κλειδί της πρόσφατα δημοσιευθείσας μεθόδου ταχείας φωτοσυνθετικής παραγωγής αιθανόλης ήταν η έκθεση σε ηλιακό φως ενζύμων πολυσακχαρικής μονο-οξυγενάσης (LPMO). Στην εργασία όμως που δημοσιεύθηκε στις 29 Ιουλίου 2016 περιγράφεται η φωτοσυνθετική παραγωγή συνθετικού καυσίμου χωρίς καν την παρουσία βιολογικών συντελεστών (ενζύμων ή βακτηρίων). Αρκεί η παρουσία ενός ανόργανου καταλύτη από δισεληνίδιο του βολφραμίου.
Ακούγεται απίστευτο για να 'ναι αληθινό. Αν όντως μπορεί να μπει σε εφαρμογή μια τέτοια αδιάπτωτη κατάλυση, θα έχουμε επιτέλους τρόπο να απορροφήσουμε το κύριο αέριο του κλιματικού θερμοκηπίου και, ταυτόχρονα, άμεση λύση στο ενεργειακό μας πρόβλημα. Πριν όμως μεταπηδήσουμε από τον εφιάλτη στο όνειρο θερινής νυκτός, ας δούμε σε τι ακριβώς συνίσταται η πρόσφατη ανακάλυψη.
Καταλύτες υδρογόνου ή CO2;
Το ενεργειακό άρμεγμα των ηλιαχτίδων είναι μια ιστορία αρκετά παλιά, που ξεκίνησε με τα φωτοβολταϊκά. Πέρα όμως από την απόδοσή τους, το πρόβλημα που παρέμενε ως τώρα ανεπίλυτο ήταν εκείνο της αποθήκευσης της παραγόμενης ενέργειας, σε μπαταρίες φθηνού κόστους κατασκευής και μεγάλης διάρκειας ζωής. Οι ερευνητές είχαν αντιληφθεί ότι για κάτι τέτοιο χρειάζονταν υλικά που θα άλλαζαν κατά βούληση τις ηλεκτρικές και καταλυτικές τους ιδιότητες, σε θερμοκρασία δωματίου. Και, τα τελευταία χρόνια, έχουν εστιάσει την αναζήτησή τους για κάτι τέτοιο στην οικογένεια των Μεταλλικών Μεταπτωτικών Διχαλκογενιδίων (αγγλιστί Transition Metal Dichalcogenides - TMD). Πρόκειται για σεληνίδια και σουλφίδια μετάλλων - όπως το MoS2 - που έχουν στρωματική νανοδομή παρόμοια με εκείνη του γραφίτη. Αυτή ακριβώς η πολυεπίπεδη δομή είναι που τους επιτρέπει να τροποποιούν τον βαθμό μεταλλικής συμπεριφοράς τους και ηλεκτρικής αγωγιμότητάς τους.
Αριστερά το τεχνητό φύλλο με τον καταλύτη, δεξιά η φωτεινή πηγή και, στη μέση, τα ηλεκτρόδια που μετατρέπουν τον αέρα σε καύσιμο
Οι πειραματισμοί με τα μεταπτωτικά διχαλκογενίδια γίνονταν και γίνονται κυρίως από εκείνες τις ερευνητικές ομάδες που αναζητούν τον «μαγικό καταλύτη» που θα επιτρέψει τη φθηνή παραγωγή υδρογόνου. Αν τυχόν είδατε τον Ματ Ντέιμον στην ταινία «Η Διάσωση» (Τhe Martian), ο πρωταγωνιστής κόντεψε να ανατιναχθεί προσπαθώντας να βγάλει νερό από τα καύσιμα του πυραύλου του, την υδραζίνη και το υδρογόνο. Εδώ, επί Γης, οι επιστήμονες της οικονομίας του υδρογόνου προσπαθούν να κάνουν με τα TMD ακριβώς το αντίστροφο: να δημιουργήσουν υδρογόνο από το νερό, με καταλύτες που δεν θα χαλούν.
Στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόι, στο Σικάγο των ΗΠΑ, η ομάδα ερευνητών του καθηγητή μηχανολογίας Αμίν Σαλεχί-Κογίν (Αmin Salehi-Khojin) σκέφθηκε να δοκιμάσει αυτούς τους ελπιδοφόρους νέους καταλύτες στο πεδίο της δέσμευσης του διοξειδίου του άνθρακα. Είναι ένα ερευνητικό πεδίο όπου επίσης πειραματίζονται επιστήμονες και μηχανικοί εδώ και χρόνια με διάφορα συστατικά, αλλά οι μόνοι καταλύτες που είχαν αντέξει ήταν από πανάκριβα υλικά όπως ο άργυρος. Οι χημικές αντιδράσεις που μετατρέπουν το διοξείδιο του άνθρακα σε καύσιμα υλικά είναι οι λεγόμενες αντιδράσεις αναγωγής, που είναι ακριβώς το αντίθετο της οξείδωσης ή καύσης.
Φθηνό, ταχύ και αδιάφθορο!
Η συγκεκριμένη ομάδα του Σικάγου έφτιαξε ένα τεχνητό φύλλο - μια ηλεκτροχημική διάταξη που θα επιτελούσε φωτοσύνθεση - και δοκίμασε στα τρία ηλεκτρόδιά του καταλύτες από διάφορα διχαλκογενίδια. Εκείνος που έκανε τη δραματική διαφορά ήταν ο καταλύτης από δισεληνίδιο του βολφραμίου (tungsten diselenide), σε μορφή νανο-νιφάδων: αποδείχθηκε χίλιες φορές ταχύτερος των καταλυτών αργύρου, ενώ ήταν είκοσι φορές φθηνότερος.
Κανονικά, οι επιφάνειες του καταλύτη «δηλητηριάζονται» και καταστρέφονται από τις αντιδράσεις αναγωγής του διοξειδίου του άνθρακα. Ομως, η ομάδα του δρος Σαλεχί-Κογίν ανακάλυψε ότι μπορούσε να προστατέψει τον καταλύτη με εμβάπτισή του σε ένα διάλυμα ιόντων, αποτελούμενο κατά 50% από νερό και κατά 50% από τετραφθοροβορικό αιθυλ-μεθυλ-ιμιδαζόλιο.
Φωτοσυνθετική βενζίνη
Το τεχνητό φύλλο των ερευνητών αποτελούνταν από δύο φωτοβολταϊκά κύτταρα συνολικής επιφάνειας 18 τετραγωνικών εκατοστών. Στην κάθοδό τους έβαλαν το δισεληνίδιο του βολφραμίου με το ιοντικό διάλυμα και στην άνοδο οξείδιο του κοβαλτίου εμβαπτισμένο σε ηλεκτρολύτη από φωσφορικό κάλιο. Οταν το φύλλο λούστηκε με το φως του ήλιου, φυσαλίδες υδρογόνου και μονοξειδίου του άνθρακα σχηματίστηκαν στα πλευρά της καθόδου, ενώ στην άνοδο απελευθερώθηκαν ιόντα ελεύθερου οξυγόνου και υδρογόνου. Μία ωσμωτική μεμβράνη στη μέση επέτρεψε στα ιόντα του υδρογόνου να περάσουν στη μεριά της καθόδου και να λάβουν μέρος στην αντίδραση αναγωγής του άνθρακα. Το αποτέλεσμα ήταν να παραχθεί άμεσα από τον αέρα και τις ηλιαχτίδες ένα καύσιμο αέριο από μείγμα υδρογόνου και μονοξειδίου του άνθρακα. Το αέριο αυτό μπορεί είτε να χρησιμοποιηθεί σε καύση ως έχει είτε να μετατραπεί σε ντίζελ ή άλλον υγρό υδρογονάνθρακα.
Στην εργασία τους, που δημοσιεύθηκε στο τεύχος της 29ης Ιουλίου 2016 του περιοδικού Science (http://science.sciencemag.org/content/353/6298/467), οι ερευνητές παρουσίασαν τις θαυμαστές επιδόσεις του νέου καταλύτη. Οπως δήλωσε αργότερα ο επικεφαλής τους, Salehi-Khojin, «η τεχνολογία αυτή είναι εφαρμόσιμη όχι μόνον σε έργα μεγάλης κλίμακας, όπως οι ηλιακές φάρμες, αλλά και μπορεί να αποδειχθεί χρήσιμη στον Αρη, του οποίου η ατμόσφαιρα αποτελείται κυρίως από διοξείδιο του άνθρακα». Αρκεί, βέβαια, να σιγουρέψουμε ότι ο Κόκκινος Πλανήτης μπορεί να μας προμηθέψει με το απαραίτητο νερό.
* Οι απόψεις του ιστολογίου μπορεί να μη συμπίπτουν με τις απόψεις του/της αρθρογράφου ή τα περιεχόμενα του άρθρου.
0 Σχόλια