Δεν θα ήταν ιδανικό να μπορούσαμε να φτιάξουμε ένα υλικό που χρειάζονται οι μπαταρίες, τραβώντας διοξείδιο του άνθρακα απευθείας από τον αέρα;
Κάτι τέτοιο μοιάζει σχεδόν υπερβολικά καλό για να είναι αληθινό, όμως οι χημικοί βρήκαν έναν τρόπο.
Η ηλεκτρόλυση λιωμένων αλάτων βασίζεται στην τοποθέτηση ηλεκτροδίων μέσα σε άλατα που έχουν θερμανθεί σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες.
Αυτή η προσεκτική «συνάντηση» μορίων και ηλεκτρισμού ουσιαστικά απομακρύνει το διοξείδιο του άνθρακα από τον αέρα, αναδιατάσσοντας τους δεσμούς ανάμεσα στα άτομα άνθρακα και οξυγόνου και παγιδεύοντας τον άνθρακα σε στερεή μορφή, όπως ο γραφίτης.
Για δεκαετίες, οι επιστήμονες αναρωτιούνταν τι ακριβώς συμβαίνει σε μοριακό επίπεδο κατά τη διάρκεια αυτής της αντίδρασης στους 500 βαθμούς Κελσίου (932 βαθμούς Φαρενάιτ).
Τώρα, για πρώτη φορά, μπόρεσαν να το δουν οι ίδιοι.
Σε εργασία που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications, ομάδα με επικεφαλής τον χημικό φυσικό Sander Ratso από το University of California, Berkeley, περιγράφει μια διαδικασία που τους επέτρεψε να παρακολουθήσουν σε πραγματικό χρόνο τη μετατροπή των υλικών, ενώ εντόπιζαν και τους δονητικούς τρόπους των δεσμών μέσα στα μόρια.
«Με πολύ απλά λόγια, όταν πριν μαγειρεύαμε με κλειστό φούρνο, βάλαμε ένα παράθυρο σε αυτόν», είπε ο Ratso στο ScienceAlert.
«Η κατανόηση του πώς εξελίσσεται αυτή η αντίδραση και πώς αναπτύσσεται η δομή του άνθρακα με την πάροδο του χρόνου είναι το πρώτο βήμα για να ελέγξουμε και, τελικά, να σχεδιάσουμε τη δομή που προκύπτει από την ηλεκτρόλυση».
«Αυτό είναι μια μεγάλη επιτυχία σε μια ευρύτερη προσπάθεια σύνθεσης κρίσιμων υλικών και υλικών για μπαταρίες με χρήση λιωμένων αλάτων», λέει ο Mike Whittaker, γεωεπιστήμονας της Γης στο Lawrence Berkeley National Laboratory.
Η προσέγγιση αυτή έδωσε πρωτοφανείς λεπτομέρειες για την εξέλιξη του άνθρακα και των ενδιάμεσων ειδών κατά την ηλεκτρόλυση του CO2, αποκαλύπτοντας μια πορεία αντίδρασης δύο σταδίων.
Χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία Raman για να παρατηρήσουν την ηλεκτρόλυση σε δράση, οι ερευνητές εντόπισαν ζώνες φωτός που έδειχναν την εμφάνιση υπεροξειδίου προσροφημένου στον άνθρακα, καθώς ο άνθρακας εναποτιθέταν σταδιακά.
Στην πραγματικότητα, οι επιστήμονες είχαν προτείνει ήδη από το 1999 ότι το υπεροξείδιο ίσως αποτελεί ενδιάμεσο μέρος της διαδικασίας.
«Η ζώνη του υπεροξειδίου… εμφανίζεται με επαναληψιμότητα και αυξάνεται ταυτόχρονα με την εναπόθεση άνθρακα, παρέχοντας άμεση απόδειξη ότι το [υπεροξείδιο] είναι το μηχανιστικό ενδιάμεσο που οδηγεί την πορεία από το CO2 προς τον άνθρακα υπό τις συνθήκες μας», γράφουν ο Ratso και η ομάδα του στην εργασία τους.
Διαφορετικά είδη εναποτιθέμενου άνθρακα εμφανίστηκαν ανάλογα με τις καθόδους που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές, αν και η βασική αντίδραση παρέμεινε η ίδια.
Σε κάθοδο καθαρού νικελίου, βρήκαν άνθρακα με τη μορφή νανοσωλήνων και σχημάτων που έμοιαζαν με πλάκες.
Μια κάθοδος από το κράμα Inconel 600 παρήγαγε σχεδόν αποκλειστικά πλάκες.
Και σε ηλεκτρόδιο από χρυσό, ο άνθρακας εναποτέθηκε σε αυτό που δεν μπορεί παρά να περιγραφεί ως «άμορφες» συσσωματώσεις.
Μια κάθοδος βολφραμίου οδήγησε σε περισσότερο άμορφο άνθρακα, μαζί με το ευχάριστο πρόσθετο των «carbon nano-onions».
Αυτές οι παρατηρήσεις θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να προσαρμόσουν τη διαδικασία ανάλογα με τη μορφή άνθρακα που χρειάζεται κάθε φορά – για παράδειγμα, τον τύπο που χρησιμοποιείται σε μπαταρίες, smartphones και βιομηχανικό εξοπλισμό.
«Αν μπορούσες να εφαρμόσεις αυτή τη διαδικασία σε χαμηλές θερμοκρασίες με πραγματικά φθηνά άλατα, θα μπορούσε να γίνει σε πολλά μέρη και να παράγεις αρκετό γραφίτη ώστε να τροφοδοτείς τις αλυσίδες εφοδιασμού των μπαταριών», λέει ο Whittaker.
Ήδη ορισμένες εταιρείες χρησιμοποιούν αυτή την τεχνολογία σε βιομηχανική κλίμακα, παράγοντας από κιλά έως τόνους ανθρακικών προϊόντων. Ο Ratso είναι συνιδρυτής μιας από αυτές.
«Ωστόσο, όλες αυτές οι εταιρείες (όσο γνωρίζω) επικεντρώνονται σε συγκεκριμένα προϊόντα, για τα οποία οι συνθήκες σύνθεσης έχουν εξαχθεί από ex situ μετρήσεις δοκιμής και σφάλματος», εξήγησε ο Ratso.
«Βασικά, συνθέτεις ένα υλικό, ελέγχεις τη δομή του, έπειτα αλλάζεις μια μεταβλητή της σύνθεσης και βλέπεις ξανά τι βγήκε από τον αντιδραστήρα. Αυτό έχει κάνει κάθε βελτίωση στις ιδιότητες των ανθρακικών υλικών χρονοβόρα και ακριβή, και έχει περιορίσει το εύρος και την ποιότητα των διαθέσιμων υλικών».
Τα συμπεράσματα από την operando φασματοσκοπία Raman θα μπορούσαν να κάνουν τη διαδικασία πολύ πιο αποδοτική.
Σχετικό: Τα πλαστικά απόβλητα μετατράπηκαν απευθείας σε καύσιμο υδρογόνου – χωρίς διαλογή
Οι σημερινές μέθοδοι παραγωγής των ανθράκων που χρησιμοποιούνται σε μπαταρίες και κυψέλες καυσίμου συνοδεύονται από τεράστιο ισοδύναμο CO2, δηλαδή κιλά CO2 που εκπέμπονται ανά κιλό υλικού που παράγεται.
Γι’ αυτό, η εξασφάλιση γραφίτη από το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας είναι μια πολύ ελκυστική προοπτική – όχι μόνο θα μπορούσε να μειώσει τις μελλοντικές εκπομπές, αλλά και να απομακρύνει ενεργά μέρος από εκείνο που έχει ήδη εκπέμψει.
Θεωρητικά, βέβαια. Οι ειδικοί συμφωνούν ότι η δέσμευση, αξιοποίηση και αποθήκευση άνθρακα δεν θα είναι αρκετή από μόνη της για να λύσει τα κλιματικά προβλήματα. Ωστόσο, ο Ratso πιστεύει ότι αυτή η τεχνική παραγωγής γραφίτη έχει τον ρόλο της.
«Η μέθοδος ηλεκτρόλυσης λιωμένων αλάτων μπορεί να παράγει αυτά τα υλικά με αρνητικό ισοδύναμο CO2 όταν συνδυάζεται με αιολική, ηλιακή ή πυρηνική ενέργεια», είπε ο Ratso.
«Πιστεύω ακράδαντα ότι αυτή είναι από τις σημαντικότερες τεχνολογίες που θα μπορούσαν να έχουν πραγματικό αντίκτυπο στα επίπεδα CO2 στο περιβάλλον».
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Nature Communications.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
