Küresel ısınmadan havadaki karbondioksiti sıvı yakıta dönüştürerek kurtulabilir miyiz?

Rice Üniversitesi'nin buluşu pratik kullanım alanı bulursa enerji üretiminde devrim yaratabilir (Ted Reinhard / Adobe Stock)

Atmosferdeki en yaygın sera gazı karbondioksit yenilenebilir elektrik enerjisi kullanan bir elektroliz cihazı (kimyasal tepkime gerçekleştirmek için kullanılan ve elektrik akımına dayanan bir cihaz kategorisi) sayesinde saf bir sıvı yakıta dönüştürülerek verimli ve çevre dostu biçimde yeniden kullanılabilir.
Rice Üniversitesi'nden kimya ve biyomolekül mühendisi Haotian Wang'ın laboratuvarında geliştirilen katalitik reaktörün hammaddesi karbondioksit ve ortaya çıkardıkları son prototip yüksek saflık ve yoğunluğa sahip formik asit üretebiliyor.
Independent Türkçe'nin haberine göre, formik asit kendine özel üretilen yakıt hücreleri sayesinde depolanabiliyor ve daha sonra kullanılabiliyor.
Wang'in açıklamasına göre kullanımdaki mevcut karbondioksitten formik asit üreten cihazlar fazladan masraf ve enerji kullanımı gerektiren saflaştırma işlemlerine ihtiyaç duyuyor. Saf formik asit çözeltilerinin doğrudan üretimi karbondioksit dönüştürme cihazlarının yaygınlaşmasına yardımcı olabilir.
Geliştirilen yeni yöntemin ayrıntıları, akademik bilim yayını Nature Energy'i de yayımlanan makalede paylaşıldı.
Rice Üniversitesi'nin Brown Mühendislik Fakültesi'ne ocak ayında katılan Wang ve ekibi, sera gazlarını kullanılabilir ürünlere dönüştüren teknolojiler üretmek için araştırma yapıyor. Yeni elektrokatalist cihaz, testlerde yaklaşık yüzde 42'ye varan enerji dönüşüm verimliliğine ulaştı. Bu sonuç üretilirken kullanılan elektrik enerjisinin yarısına yakınının yakıt hücrelerinde kullanılabilen formik asit olarak depolanabileceğini anlamına geliyor.
Wang şunları söylüyor: “Formik asit bir enerji taşıyıcısıdır. “Elektrik üretebilen ve (bu sırada) karbondioksit yayan bir yakıt hücresi yakıtıdır ve (karbondioksiti) yeniden toplayarak tekrar geri dönüştürebilirsiniz."
"Başka kimyasallarla birlikte bu (kimyasal) aynı zamanda kimya mühendisliği endüstrisinde kullanılan temel hammaddelerden biridir ve sıkıştırılması zor olan hidrojenle kıyaslağında aynı hacimdeki hidrojen gazına göre yaklaşık 1000 kat daha fazla enerji depolayabilir." “Bu şu anda hidrojen yakıt hücresi kullanan arabalar için başlıca zorluklardan biri budur."
Araştırmanın başyazarı ve Rice Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı olan Şuyan Şia'ya göre iki yeni gelişme bu cihazın yapımını mümkün kıldı. Bunlardan ilki sağlam ve iki boyutlu bizmut kristallerini geliştirmiş olması, ikincisiyse tepkimenin bir parçası olan tuz ihtiyacını oradan kaldıran katı hal elektrolitinin kullanılması.
Wang şöyle açıklıyor: "Bizmut, bakır, demir veya kobalt gibi yarı metallerle kıyaslandığında bizmut çok ağır atomlara sahiptir. “Özellikle tepkime koşullarında bizmutun hareketliliği çok daha düşük. Bu da katalizörün (kimyasal tepkimeleri hızlandıran ancak tepkimeye katılmayan maddeler) daha istikarlı olmasını sağlıyor." Wang reaktörün suyun katalizörle temas etmesinin engelleyecek şekilde tasarlandığını ve bunun da katalizörü korumaya yardım ettiğini belirtiyor.
Şia'nın geliştirdiği yeni bir yöntem katalizör olarak kullanılan nanomalzemeyi çok miktarda topluca üretebiliyor. Şia şunları dile getirdi: "Şu anda katalizörler miligram veya gram ölçeğinde üretiliyor. "Biz (katalizörleri) kilogram ölçeğinde üretebilen yeni bir yöntem geliştirdik. Bu bizim (geliştirdiğimiz) sürecin endüstri ölçeğinde kullanılabilmesini mümkün kılacak."
Sülfoonik asit lidandlarıyla kaplı polimer temelli katı elektrolit pozitif yüklerin (artı yüklü) iletilmesini sağlarken amino grupları negatif (eksi yüklü) iyonları iletiyor. Wang şunları söylüyor: “Genellikle karbondioksiti indirgemek için tuzlu su gibi sıvı elektrolitler kullanılır. “Elektriğin iletilmesini istiyorsunuz ancak saf suyun bir elektrolit olarak direnci çok yüksektir (yalıtkandır). (Bu nedenle) iyonların suda serbestçe hareket edebilmesi için sodyum klorür (sofra tuzu) veya potasyum bikarbonat gibi tuzlar eklemeniz gerekir.
"Ancak formik asiti bu şekilde üretirseniz tuzla karışmış olur." “Yöntemlerin çoğunda son üründen tuzu ayırmak zorunda kalırsınız ancak bu çok fazla enerji ve masrafa ihtiyaç duyar. Bu nedenle suda çözünmeyen polimerler ya da inorganik bileşiklerden üretilebilen ve protonları iletebilen katı elektrolitler kullandık ve tuzu devre dışı bırakma ihtiyacını ortadan kaldırdık."
Ürün haznesine akan suyun hızı çözeltinin yoğunluğunu belirliyor ve akış hızının değiştirmesi çözelti yoğunluğunun da kontrol edilmesini sağlıyor. Cihazın mevcut kurulumunda yavaş çıkış alınırsa ağırlık olarak yüzde 30 civarında formik asit içeren bir çözelti üretiyor. Araştırmacılar, gaz akışıyla çalışabilen ve gaz halinde saf formik asit çıkarabilen yeni nesil reaktörlerle daha yüksek yoğunluklara ulaşmayı hedefliyor.
Rice Üniversitesi'ndeki laboratuvar geliştirme sürecinde Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'yla birlikte çalıştı. Yüklü parçacıkların hızlandırılarak yüksek seviyede X ışını üretebilen Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'na bağlı Ulusal Sinkrotron Işık Kaynağı II'deki  İç Kabuk Spektroskopisi'nde (ISS) çalışan ve araştırmanın ortak yazarlarından Eli Stavitski, laboratuvarlarındaki X ışını soğurme spektrokopisi sayesinde operandodaki elektrokatalizörlerin elektron dizilimini kimyasal süreç sırasında görüntüleyebildiklerini söylüyor ve şunları ekliyor: “Bu çalışmada, bizmutun oksidasyonunun farklı potansiyellerdeki hallerini takip ettik ve karbondioksit indirgenmesi botunca katalizörün güncel durumunu aktif olarak belirleyebildik."
Laboratuvar mevcut reaktörü 100 saat boyunca aralıksız çalıştırarak formik asit üretti ve nanoölçekteki katalizörler de dahil olmak üzere reaktörün bileşenleri ihmal edilebilir düzeyde çözeltiye karıştı. Wang, reaktörün formik asitin yanı sıra asetik asit, etil alkol ve propil alkol gibi yakıtları üremek içinde kolayca yeniden ayarlanabileceğini öne sürüyor.
Wang şunları ekledi: “Büyük resme bakarsak karbondioksiti indirgemek hem küresel ısınma üzerindeki etkisi hem de çevre dostu kimyasal sentezler açısından çok önemli." "Eğer (kullanılan) elektrik güneş veya rüzgar gibi yenilenebilir kaynaklardan gelirse, karbondioksiti daha fazlasını (atmosfere) salmadan önemli bir şeye dönüştürdüğümüz bir döngü kurabiliriz."