Jak odwrócić spalanie

Naukowcy szukają sposobów na pozbycie się nadmiaru dwutlenku węgla, który ludzkość emituje do atmosfery. Czasem bywają zaskoczeni wynikami – na przykład, gdy otrzymują z niego alkohol etylowy.

28.10.2016

Czyta się kilka minut

 /
/

Przez mijający rok poziom dwutlenku węgla – jednego z gazów cieplarnianych – w atmosferze bił historyczne rekordy, przekraczając poziom 400 cząsteczek na milion (ppm). Według ekspertów Światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO) cytowanych przez BBC taki stan rzeczy może się utrzymać „przez wiele kolejnych pokoleń”. Jak ostrzegają, zaczęła się nowa era globalnego ocieplenia.

Giganci emisji

Dwutlenek węgla jest nie tylko produktem naszego metabolizmu, ale przede wszystkim wydziela się on w dużych ilościach podczas spalania paliw kopalnych, takich jak węgiel czy ropa naftowa – w ten sposób powstaje ok. 70 proc. jego światowej emisji. Ilość CO2 emitowanego na całym świecie szacuje się na ponad 35 mld ton rocznie. Ta olbrzymia liczba systematycznie rośnie. Według BP Statistical Review of World Energy 2015 ostatnio szczególnie szybki wzrost dotyczy krajów arabskich (Katar, Zjednoczone Emiraty Arabskie, Arabia Saudyjska) oraz krajów rozwijających się, takich jak odpowiadające za 27,5 proc. światowej emisji Chiny, Wietnam czy Indie. W każdym z nich na przestrzeni lat 2000-2014 wzrost ten wyniósł od 100 do 370 proc. Polska w tej klasyfikacji znajduje się w środku tabeli; emisja CO2 u nas wzrosła o 1 proc. (za to np. w Czechach spadła o 14 proc., a w Rumunii – o 20 proc.). Istotny jest także wskaźnik mówiący o tym, ile emitowanego dwutlenku węgla przypada na jednego mieszkańca. Szacuje się, że np. w Polsce emisja ta wynosi rocznie 8,2 tony na osobę, podczas gdy w USA – 16,9, a we wspomnianym wcześniej Katarze – 64,5.

Problemem jest nie tylko rosnące spalanie produktów przerobu ropy naftowej czy węgla. Wylesianie, czyli m.in. wyrąb dużej liczby drzew, także ma wpływ na zwiększanie poziomu dwutlenku węgla w atmosferze, ponieważ to właśnie rośliny zielone w procesie fotosyntezy przekształcają ten gaz w cukry, dodatkowo wzbogacając powietrze w życiodajny tlen. Z wyliczeń wynika, że udział wylesiania we wzroście poziomu dwutlenku węgla wynosi ok. 25 proc. CO2 emitowany jest też w pewnym stopniu w trakcie produkcji cementu, do której stosuje się węglany.

Nieubłagana fizyka

Dlatego naukowcy na całym świecie podejmują badania, których celem jest wypracowanie efektywnych technologii konwersji CO2 do innych związków chemicznych albo też pozbycie się go z atmosfery w inny sposób. Wiemy, że w procesie spalania paliw kopalnych uzyskujemy spore ilości energii. Prawa fizyki są nieubłagane: jeśli będziemy chcieli odwrócić ten proces i przekształcić produkt reakcji spalania – dwutlenek węgla – w jakiś związek organiczny, konieczne będzie dostarczenie energii do tej reakcji. Energii tej musi być co najmniej tyle samo, ile uzyskaliśmy w trakcie spalania, a najczęściej potrzeba jej znacznie więcej. Warto pamiętać, że natura już wiele milionów lat temu stworzyła taką fantastyczną technologię, która na dodatek korzysta z zupełnie darmowej energii Słońca. Jest to oczywiście zjawisko fotosyntezy.

Proces przemysłowej redukcji dwutlenku węgla do użytecznych związków organicznych zawsze wymaga dwóch czynników – podwyższonej temperatury oraz katalizatora, czyli substancji, która przyspiesza przebieg reakcji, a sama się w jej trakcie nie zużywa. I właśnie uzyskanie efektywnych katalizatorów jest w tej chwili kluczowym celem wielu projektów badawczych.

Uczestniczą w nich naukowcy z wielu różnych dziedzin – chemicy, fizycy, specjaliści inżynierii materiałowej, a nawet biochemicy. Co jakiś czas pojawiają się informacje o kolejnych wynikach ich prac, które przybliżają nas do opracowania rozwiązań mających zaradzić problemowi nadmiernej emisji CO2. W wersji idealnej ludzkość powinna osiągnąć bilans zerowy, czyli przetworzyć w inne związki cały dwutlenek węgla, który emitujemy do atmosfery. To chyba jednak pozostanie w sferze marzeń przez wiele dziesięcioleci.

Nanopiorunochrony

W ostatnich tygodniach doniesiono o pewnym ciekawym, a do tego dość przypadkowym odkryciu. Miało ono miejsce w Oak Ridge National Laboratory, rządowym amerykańskim laboratorium finansowanym przez Departament Energii USA.

Interdyscyplinarny zespół uczonych zajmujących się katalizą chemiczną oraz nanotechnologią pracował nad stworzeniem specjalnego typu katalizatora, który w założeniu miał przyspieszać jedną z reakcji wieloetapowej przemiany dwutlenku węgla. Katalizator ten składa się głównie z węgla, miedzi oraz azotu, ale najbardziej istotna jest jego specyficzna mikrostruktura.
Od dawna wiedziano, że miedź (jak też inne metale, np. platyna, srebro czy złoto) może być katalizatorem procesu redukcji CO2, ale wydajność tej reakcji jest niewielka. Co więcej, powstaje mieszanina produktów, wśród których znajdziemy tlenek węgla, kwas mrówkowy, metan oraz etan. Można więc powiedzieć, że reakcja ta jest w zasadzie odwróceniem procesu spalania związków organicznych. Niestety, związki te trudno rozdzielić i wykorzystać.

Bardziej efektywny od miedzi okazał się związek znany jako azotek węgla (C4N3), a dokładniej rzecz biorąc, jedna z jego odmian – grafitowy azotek węgla. Od chwili jego uzyskania, co nastąpiło niedawno, znalazł się on wśród struktur najczęściej badanych przez specjalistów od nanotechnologii. W zasadzie powinien tworzyć strukturę zupełnie płaską, zbliżoną do grafenu, ale w praktyce przypomina ona raczej włochaty dywan.

To akurat w przypadku katalizatorów jest traktowane bardziej jako zaleta niż wada. Otóż dzięki takiej budowie zdecydowanie rośnie efektywna powierzchnia ich oddziaływania. Jak wykazały badania wykonane za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM), pozwalającego oglądać materiały w nanometrowej skali (nanometr to jedna milionowa część milimetra, czyli 10-9 metra), pojedyncze włoski tej struktury mają wysokość 50-80 nanometrów.

Naukowcy z Oak Ridge National Laboratory postanowili dalej modyfikować tę strukturę, łącząc właściwości azotku węgla z tymi wykazywanymi przez miedź. Wykorzystując fakt, że domieszkowany azotem grafen przewodzi prąd elektryczny, zanurzyli go w roztworze siarczanu miedzi, podłączyli do niego prąd i spowodowali, że na „włoskach” tego nanodywanu osadziły się kuleczki zredukowanej miedzi. Tak przygotowany katalizator także został poddany badaniom mikroskopem skaningowym. Wykazały one, że średnica nanocząstek metalicznej miedzi osadzonych na podłożu węglowym mieści się w granicach 20-70 nm.
Innymi słowy, powstały w ten sposób katalizator składa się z miliardów piorunochronów nanometrowej wielkości.

Radość z alkoholu

Kolejnym etapem badań było sprawdzenie, jakie produkty będą powstawać w zależności od napięcia przyłożonego do katalizatora. Badano proces elektrokatalizy roztworu wody nasyconej dwutlenkiem węgla, czyli takiej specyficznej wody sodowej. Ku zaskoczeniu samych naukowców, gdy napięcie na katalizatorze wynosiło 1,2 V, dwutlenek węgla, z wydajnością 63 proc., ulegał przemianie w etanol (C2H5OH). Spodziewano się raczej uzyskania metanolu (CH3OH), który w tym przypadku jest znacznie mniej pożądanym produktem reakcji. Przekształcanie CO2 w metanol jest już znane od dość dawna, choć nadal nie ma wydajnych instalacji do przeprowadzania tego procesu w skali makro.

Dlaczego naukowcy ucieszyli się z etanolu? Nie, nie – nie chodzi o to, że znaleźli kolejne źródło uzyskiwania taniego spirytusu. To, co powstaje w badanej reakcji, nie bardzo nadaje się do celów spożywczych. Warto jednak pamiętać, że etanol (a dokładniej rzecz biorąc – bioetanol) jest już od jakiegoś czasu składnikiem paliw zarówno w USA, jak też w Europie. W Stanach Zjednoczonych standardowo dodaje się 10-15 proc. etanolu do paliw otrzymywanych z ropy naftowej. Istnieje też dostępne na rynkach USA oraz Brazylii paliwo E85, w którym zawartość tego alkoholu wynosi nawet 85 proc. (tzw. flex-fuel). Jest więc oczywiste, że zapotrzebowanie na etanol na całym świecie będzie rosło.

W historii odkryć naukowych było wiele zdarzeń przypadkowych. W taki sposób odkryto m.in. penicylinę, promieniowanie rentgenowskie czy teflon. Weszły one już na stałe do użytku. Być może odkrycie multidyscyplinarnego zespołu z Oak Ridge National Laboratory także za jakiś czas będzie należeć do tej samej kategorii. ©

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]

Artykuł pochodzi z numeru TP 45/2016