Ένας απροσδόκητα απλός καταλύτης μπορεί να βοηθήσει στην παραγωγή υδρογονανθράκων από διοξείδιο του άνθρακα, αντί της κλασικής διύλισης του πετρελαίου. Το σύστημα με βάση το νικέλιο αναπτύχθηκε από μια διεθνή ομάδα χημικών από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης, το ETH της Ζυρίχης και το Ινστιτούτο Χημικής Έρευνας της Καταλονίας στην Ισπανία.
Οι ηλεκτροκαταλύτες που κατασκευάζονται από συνήθη, μη τοξικά, μέταλλα που μπορούν να μετατρέψουν το διοξείδιο του άνθρακα σε πολύπλοκους υδρογονάνθρακες, παρουσιάζουν τεράστιο ενδιαφέρον σε μια εποχή που επιχειρείται απαλλαγή από την οικονομία ορυκτών καυσίμων. Ο χαλκός ήταν το αγαπημένο μέταλλο μέχρι σήμερα, αλλά παρουσιάζει κάποια θέματα. Με το χαλκό, η δημιουργία μορίων υδρογονανθράκων με μήκος μεγαλύτερο από τρία άτομα άνθρακα έχει αποδειχθεί δύσκολη και τα ιόντα χαλκού είναι ιδιαίτερα κινητικά, με συνέπεια τα ηλεκτροκαταλυτικά κελιά συχνά να καταλήγουν με ιόντα χαλκού που έχουν διαρρεύσει στον ηλεκτρολύτη, γεγονός που υποβαθμίζει την απόδοση της συσκευής ηλεκτροκατάλυσης.
Συνεπώς, η ανεύρεση ενός μετάλλου που δε θα παρουσιάζει αυτά τα προβλήματα θα ήταν κάτι σημαντικό. «Τα τελευταία χρόνια θέλαμε να αναπτύξουμε έναν καταλύτη που να μπορεί να παράγει μόρια υδρογονανθράκων που περιέχουν περισσότερα άτομα άνθρακα. Έχοντας δουλέψει μόνοι μας στον χαλκό και γνωρίζοντας τα πλεονεκτήματα και τις αδυναμίες του, είχαμε πειστεί ότι δεν ήταν το κατάλληλο μέταλλο για αυτή τη διεργασία », λέει ο Javier Pérez-Ramirez από το ETH της Ζυρίχης.
Η ερευνητική ομάδα γνώριζε ότι το νικέλιο υποτίθεται ότι ήταν αδρανές, αλλά κατά την επισκόπηση της βιβλιογραφίας, εντόπισαν μια ερευνητική εργασία ηλικίας σχεδόν 30 ετών που υποστήριζε ότι το μεταλλικό νικέλιο μπορεί να ανάγει το διοξείδιο του άνθρακα σε ίχνη υδρογονανθράκων C3-4 σε συνθήκες διοξειδίου του άνθρακα σε υψηλή πίεση. «Αυτό μας έκανε να αναρωτηθούμε εάν το νικέλιο θα μπορούσε να κάνει τη δουλειά πιο αποτελεσματικά και αποδοτικά μέσω ηλεκτροκαταλυτών νικελίου», λέει ο Pérez-Ramirez.
Η ομάδα συνδύασε θεωρητικές μελέτες και πειράματα για να ελέγξει την υπόθεσή της. Η πρώτη τους δοκιμή, ένας δίσκος από μεταλλικό νικέλιο, παρήγαγε πολύ μικρές ποσότητες υδρογονανθράκων. Όταν ο δίσκος τροποποιήθηκε με μια τεχνική ηλεκτροχημικής παθητικοποίησης, για να παραχθεί NiO, η απόδοση της παραγωγής αλυσίδων υδρογονανθράκων υπερδιπλασιάστηκε, αν και ανήλθε μόλις στο 0,8%.
Το επόμενο βήμα ήταν να εξεταστούν πιο προσεκτικά οι ανόργανες οξυγονούχες ενώσεις του νικελίου (Inorganic Nickel Oxygenates, INO) και να δοκιμαστεί η απόδοση της καταλυτικής τους ισχύος. Δοκίμασαν καταλύτες INO κατασκευασμένους με ηλεκτροχημική αναγωγή φωσφορικού νικελίου, ανθρακικού νικελίου, βορικού νικελίου, διττανθρακικού νικελίου, υδροξειδίου του νικελίου και οξειδίου του νικελίου. Όλοι οι καταλύτες παρήγαγαν αλυσίδες υδρογονάνθρακα μήκους έως και έξι ατόμων άνθρακα, ενω το INO από φωσφορικό νικέλιο είχε την καλύτερη απόδοση, φτάνοντας έως και το 6,5%.
Ο λόγος για την αυξημένη καταλυτική δραστηριότητα φαίνεται να είναι ότι τα άτομα νικελίου φορτίζονται θετικά στις INO, και όχι μόνο λόγω των αντίθετα φορτισμένων ιόντων. Θεωρητική μελέτη αλλά και πειράματα έδειξαν ότι ήταν το συνδεδεμένο με οξυγόνο νικέλιο που προκάλεσε αυτή την πόλωση. Επίσης, ένα σημαντικό πλεονέκτημα ήταν ότι οι καταλύτες δεν μολύνθηκαν από το μονοξείδιο του άνθρακα, το οποίο είναι ένας άλλος κίνδυνος με το μεταλλικό νικέλιο.
«Τα αποτελέσματά μας υποδηλώνουν έναν πολύ διαφορετικό μηχανισμό αντίδρασης από αυτόν που παρατηρείται στους καταλύτες χαλκού με αξιοσημείωτες ομοιότητες με αυτόν που οδηγεί την κλασική διαδικασία Fischer–Tropsch», λέει ο ερευνητής, Boon Siang Yeo του Εθνικού Πανεπιστημίου της Σιγκαπούρης.
«Αυτή η μελέτη δείχνει ότι υπάρχει ελπίδα πέρα από τον χαλκό», λέει ο F. Pelayo Garcia De Arquer του ερευνητικού κέντρου ICFO στη Βαρκελώνη. «Ένα από τα καταπληκτικά συμπεράσματα αυτής της μελέτης είναι ότι όχι μόνο μπορείτε να φτιάξετε υδρογονάνθρακες, μπορείτε επίσης να φτιάξετε πιο σύνθετους υδρογονάνθρακες από ό,τι με έναν καταλύτη χαλκού». Το επόμενο βήμα, λέει ο Arquer, θα είναι να ελέγξουμε εάν τα συστήματα πολωμένου νικελίου μπορούν να λειτουργήσουν σε ημι-βιομηχανικές συνθήκες και να δούμε εάν η κρίσιμη πόλωση του νικελίου μπορεί να διατηρηθεί σε υψηλή τάση. «Αυτό είναι πραγματικά πολύ συναρπαστικό», λέει ο Arquer.
Πρωτότυπη εργασία: Y Zhou et al, Nat. Catal., 2022, 5, 545 (DOI: 10.1038/s41929-022-00803-5)
Με πληροφορίες από chemistryworld.com
