Daha düşük karbon ayak izine doğru

Kömür ve doğal gaz gibi fosil yakıtlar, karbonu atmosfere CO₂ olarak verirken, metanol ve diğer değerli yakıt ve kimyasalların üretiminde de karbon kaynağıdır. Şu anda atmosferden CO₂ toplamak ve karbon bazlı kimyasallar üretmek için kullanmak üzere ekonomik ve enerji açısından verimli bir yol bulunmamaktadır, ancak Pittsburgh Üniversitesi Swanson Mühendislik Okulu'ndaki araştırmacılar bu yönde önemli bir adım atmıştır.

Ekip, atmosferdeki karbon dioksiti toplamak ve onu değerli kimyasallara ve yakıtlara dönüştürmek amacıyla hidrojen atomları ile birleştirmek için kullanılabilecek metal-organik çerçeveler veya başka bir deyişle "MOF'ler" adı verilen nano malzemeler sınıfı ile çalıştı. Swanson School Kimya ve Petrol Mühendisliği Bölümü'nden William Kepler Whiteford Profesörü olan Karl Johnson, araştırma grubuna baş araştırmacı olarak liderlik etti.

Johnson, “Nihai hedefimiz, karbon dioksiti gaz karışımından ayırabilen ve hidrojen ile reaksiyona sokabilecek düşük enerjili, düşük maliyetli bir ‘MOF’ bulmak... CO₂ moleküllerini hafifçe bükebilecek ve hidrojen ile daha kolay reaksiyona girebilecekleri bir duruma getirecek bir MOF bulduk.” diyor.

Johnson araştırma grubu, bulgularını Royal Society of Chemistry (RSC)’nin ‘Catalysis Science & Technology’ dergisinde yayınladı. Dergi, çalışmalarına kapakta yer verdi ve MOF'a giren ve CH₂O₂, formik asit (Metanolün kimyasal bir ön maddesi) olarak çıkan karbon dioksit ve hidrojen molekülleri sürecini resmediyordu. Bu işlemin gerçekleşmesi için, moleküllerin hidrojenasyon bariyeri olarak adlandırılan zorlu bir enerji eşiğinin üstesinden gelmesi gerekir.

Johnson şöyle açıklıyor: “Hidrojenasyon bariyeri, iki H atomunu CO₂'ye eklemek için gerekli olan enerjidir, bu da molekülleri formik aside dönüştürür, diğer bir deyişle, H atomlarını ve CO₂ moleküllerini bir araya getirmek için gerekli olan enerjidir. Hidrojenasyon bariyerini aşarak yeni bileşiği oluşturabilirler. Önceki çalışmamızda H₂'i iki H atomuna ayırarak aktif hale getirdik ancak şu ana kadar CO₂'yi aktif edemedik. ”

Hidrojenasyon bariyerini azaltmanın anahtarı, karbon dioksitin ön aktivasyonunu gerçekleştirebilen bir MOF'yi tanımlamaktı. Ön aktivasyon temel olarak molekülleri kimyasal reaksiyon için doğru geometriye, doğru pozisyona veya doğru elektronik duruma geçirerek hazırlar. Çalışmalarında modelledikleri MOF, daha düşük bir bariyerle, gelen hidrojen atomlarını kabul edebilen hafif eğimli bir geometriye yerleştirerek CO₂'nin aktivasyonunu sağlar.

Bu yeni MOF'nin bir diğer önemli özelliği, karbon dioksit üzerinde hidrojen molekülleri ile seçici bir şekilde reaksiyona girmesidir, böylece aktif bölgeler CO₂ tarafından bloke edilmez. "Bağlanma bölgeleri etrafında sınırlı bir alana sahip bir MOF tasarladık, CO₂'yi bağlamak için yeterince yer yok, ancak H₂'i bağlamak için çok yer var, çünkü hidrojen atomu çok daha küçük.

Johnson, CO₂'yi hem yakalayabilen hem de dönüştürebilen tek bir materyali mükemmelleştirmenin ekonomik olarak uygun olacağını ve atmosferdeki net CO₂ miktarını azaltacağına inanıyor.

Johnson, “Enerji santrallerinden veya doğrudan baca gazından CO₂’i yakalayabilirsiniz” diyor. “Bu araştırma, varsayımsal bir teknolojiyi, gerçek bir faydaya dönüştürme yeteneği ile çok nadir bir malzeme olması, arama sonuçlarımızı kısıtlıyor.”

Haber Kaynağı: https://www.engineering.pitt.edu/News/2018/Karl-Johnson-Catalysis-Cover/

Makale Kaynağı: Jingyun Ye, Lin Li, J. Karl Johnson. The effect of topology in Lewis pair functionalized metal organic frameworks on CO₂ adsorption and hydrogenation. Catalysis Science & Technology, 2018; 8 (18): 4609 DOI: 10.1039/c8cy01018h

Fotoğraf: Swanson School of Engineering/Johnson Group

Çeviri: Şafak Gezer