Naukowcy z Politechniki Łódzkiej pracują nad nanokatalizatorami plazmowymi nowej generacji, które pozwolą skutecznie pozyskiwać paliwo wodorowe z wody czy ograniczyć stężenie dwutlenku węgla w atmosferze, włączając go jednocześnie w proces przemysłowej recyrkulacji, np. do produkcji metanu.
Ma to być alternatywa dla popularnego obecnie magazynowania pod ziemią wychwyconego z gazów spalinowych dwutlenku węgla. Badacze z Wydziału Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska PŁ chcą go wykorzystać jako surowiec do produkcji użytecznych związków, tj. metanu, metanolu, eteru dimetylowego czy kwasu mrówkowego. Związki te otrzymuje się w reakcji tlenku węgla i wodoru. Tlenek węgla można zastąpić dwutlenkiem węgla, ale jego cząsteczki są mniej reaktywne i wymagają zastosowania bardziej drastycznych warunków reakcji z gazowym wodorem. Jednak głównym warunkiem wydajnej reakcji CO2 z wodorem jest zastosowanie bardziej sprawnych katalizatorów. Plazmowe metody ich wytwarzania opracowywane są właśnie w Katedrze Inżynierii Molekularnej.
Plazma, zwłaszcza nierównowagowa, inaczej zwana zimną, w technologii chemicznej znalazła zastosowanie przy modyfikacji powierzchni materiałów i zmiany właściwości tych powierzchni oraz do wytwarzania zupełnie nowych materiałów w postaci cienkich warstw. W tej grupie najbardziej interesujące są materiały o właściwościach katalitycznych, o wysokiej aktywności i selektywności. Zastosowanie metody plazmowej umożliwia wytworzenie bardzo cienkich warstw, o grubości nawet kilku-, kilkunastu nanometrów, z dokładnie zaprojektowaną strukturą molekularną. Tak cienkie warstwy umożliwiają ich nakładanie na dowolne podłoża, np. bardzo drobne siatki metalowe, nie zmieniając zupełnie ich geometrii. Otwiera to szerokie możliwości w projektowaniu reaktorów chemicznych z wypełnieniami o praktycznie dowolnym kształcie.
Zarówno strukturą molekularną, jak i nanostrukturą można sterować poprzez zmianę parametrów wytwarzania plazmy, otrzymując w ten sposób materiały o określonych właściwościach katalitycznych. W przypadku dwutlenku węgla naukowcy poszukują katalizatorów, które przyspieszyłyby jego wychwyt oraz umożliwiły przetwarzanie. Równie intensywnie pracują nad pozyskaniem paliwa wodorowego.
– Przez fotorozkład wody na odpowiednio skonstruowanych nanokatalizatorach próbujemy uzyskać wodór, który z jednej strony możemy wykorzystać chociażby do syntezy z CO2, a z drugiej strony już jako konkretny nośnik energii – paliwo wodorowe – tłumaczy prof. Jacek Tyczkowski z Wydziału Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska PŁ.
Rozkład wody na wodór i tlen (zwany splittingiem) jest prowadzony rozmaitymi metodami, chociażby poprzez znaną od dawna elektrolizę wody. W Łodzi próbuje się wykorzystać do tego światło oraz bardzo złożone układy cienkowarstwowych nanokompozytów, będące mieszaniną dwóch materiałów o prawie identycznej budowie molekularnej, ale zupełnie różnych właściwościach elektronowych.
– Pomiędzy oboma materiałami, w skali nano, tworzą się złącza, na których poprzez naświetlanie możemy doprowadzić do rozseparowania nośników ładunku – dziur i elektronów. Dziura czy elektron reagując z cząsteczką wody może prowadzić do wytworzenia odpowiednio tlenu lub wodoru, powodując w ten sposób rozkład wody. Dalej to już jest kwestia konstrukcji materiałów, w których możemy otrzymać taką separację bez zewnętrznych pól i przykładania potencjałów” – wyjaśnia prof. Tyczkowski.
W przypadku zagospodarowania CO2 łódzcy inżynierowie odnieśli już duży sukces, uzyskując materiał, który zachowuje się bardzo stabilnie i umożliwia konwersję dwutlenku węgla do metanu na poziomie 70 proc., przy selektywności ponad 95 proc. W tej chwili trwają przygotowania do opatentowania tego rozwiązania.
MK
(Źródło: Nauka w Polsce)