Vědci z Yale spojili plazmu s elektrokatalýzou pro přeměnu CO₂ na paliva

Vědci z americké Yale University vyvinuli novou metodu, která kombinuje elektrokatalýzu s plazmou a umožňuje přeměnu oxidu uhličitého na užitečné chemikálie a paliva, včetně metanolu a butanu. Výsledky svého výzkumu publikovali v odborném časopise Nature Catalysis.

Přeměna CO₂ na hodnotné produkty patří mezi klíčové výzvy současné chemie a energetiky. Oxid uhličitý je hlavním skleníkovým plynem spojovaným se změnou klimatu, a proto vědci po celém světě hledají způsoby, jak jej zachytávat a dále využívat místo toho, aby unikal do atmosféry. Klasické elektrokatalytické metody, které využívají elektrický proud k iniciaci chemických reakcí přeměňujících CO₂ na jiné látky, ale často narážejí na omezenou účinnost a nízkou selektivitu, tedy schopnost cíleně vyrábět jen požadovanou látku bez vedlejších produktů.

Tým z Yale se rozhodl tento problém řešit propojením elektrokatalýzy s plazmou, tedy ionizovaným plynem obsahujícím vysoce reaktivní částice, jako jsou elektrony, ionty a radikály. Kombinace obou technologií umožňuje efektivněji rozbíjet stabilní molekulu CO₂ a následně ji přeměňovat na složitější organické sloučeniny, což je proces, který u samostatné elektrokatalýzy vyžaduje mnohem více energie a přesto často vede k horším výsledkům.

Plazma podle výzkumníků dokáže molekuly CO₂ aktivovat a rozkládat na reaktivní meziprodukty, které se následně na povrchu elektrokatalyzátoru mohou skládat do nových, komplexnějších molekul. Tímto způsobem lze podle autorů studie cíleně vyrábět nejen metanol, který se využívá jako palivo i jako výchozí surovina pro chemickou výrobu, ale také butan, patřící mezi uhlovodíky používané zejména v energetice a petrochemii.

Vědci z Yale zdůrazňují, že jejich přístup představuje nový směr ve výzkumu přeměny CO₂, protože otevírá možnost výroby širšího spektra produktů než dosavadní čistě elektrokatalytické metody. Spojení elektrokatalýzy a plazmy by mohlo v budoucnu umožnit i syntézu dalších komplexních organických molekul, které se nyní vyrábějí primárně z fosilních zdrojů.

Přeměna CO₂ na paliva a chemikálie má potenciál přispět k takzvané cirkulární ekonomice uhlíku, kdy by se zachycený oxid uhličitý z průmyslových procesů nebo přímo ze vzduchu znovu využíval jako surovina, čímž by se snížila potřeba těžby fosilních zdrojů a zároveň by se omezily emise skleníkových plynů. Metanol vyrobený z CO₂ by mohl sloužit jako alternativní palivo nebo jako meziprodukt při výrobě dalších chemikálií, zatímco butan nachází uplatnění například jako palivo do zapalovačů, chladivo nebo surovina pro petrochemický průmysl.

Autoři studie v Nature Catalysis uvádějí, že jejich metoda by mohla představovat krok směrem k udržitelnější chemické výrobě, která by méně spoléhala na ropu a zemní plyn jako zdroje uhlíku. Zároveň však podotýkají, že technologie je zatím ve fázi základního výzkumu a než by mohla být nasazena v průmyslovém měřítku, bude nutné ji dále optimalizovat, zejména pokud jde o energetickou náročnost a schopnost pracovat ve větším objemu.

Kombinace plazmy a elektrokatalýzy podle vědců z Yale nabízí flexibilitu, kterou samostatné metody postrádají, protože plazmu lze poměrně snadno generovat pomocí elektrické energie, což by teoreticky umožnilo provoz zařízení přímo v místech, kde je k dispozici obnovitelná energie z fotovoltaiky nebo větrných turbín. Taková zařízení by pak mohla přeměňovat zachycený CO₂ na chemikálie bez nutnosti spalování fosilních paliv.

Výzkum týmu z Yale zapadá do širšího trendu takzvané elektrifikace chemie, kdy se vědci snaží nahradit tradiční tepelné a katalytické procesy, které jsou energeticky náročné a často vyžadují fosilní paliva jako zdroj tepla, elektrochemickými alternativami napájenými čistou elektřinou. Studie publikovaná v Nature Catalysis tak přidává další díl do skládačky technologií, které by mohly v budoucnu přispět k omezení emisí oxidu uhličitého a zároveň zajistit výrobu surovin potřebných pro chemický a energetický průmysl.