„Erdők” a kémények melletti cellákban: a füstben lévő szén-dioxidot hasznosítják az SZTE kutatói

Mit kezdjünk az autók kipufogógázaiból, az erőművekből és a gyárkéményekből a levegőbe jutó, egyre gyarapodó mennyiségű szén-dioxiddal? Ez napjaink egyik legnagyobb kihívása.

Hova vezet a három út?

A napelemekkel vagy a szélerőművekkel termelt olcsó villamosenergia egyik fölhasználási lehetősége, hogy elektrolízissel hasznos terméket állítsanak elő szén-dioxidból. E területen ért el új eredményeket Janáky Csaba. Az Európai Kutatási Tanács (ERC) 2016. évi pályázatán is sikeres kutató 2014 óta vezeti az MTA–SZTE Lendület Fotoelektrokémiai Kutatócsoport, illetve a Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Kar Kémiai Intézet Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszékének egyetemi adjunktusa.

– Több út létezik a szén-dioxid hasznos anyaggá alakítására, amelyek közül a mostani technoökonómiai számolások alapján még nem lehet megjósolni, melyik lesz gazdasági szempontból a legjobb. Az egyik módszer az, amikor elektrokémiai eljárással alakítjuk át a szén-dioxidot például a vegyiparban használatos szintézisgázzá vagy éppen etilénné – kezdi a fölsorolást Janáky Csaba. A Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Kar kutatója ezen az úton indult el és mérföldes léptekkel haladva közeledik a célig, az ipari méretben is működő megoldásig. – A másik lehetőség az, amikor elektrokémiailag vizet bontunk, s az így nyert hidrogént reagáltatjuk szén-dioxiddal, magasabb hőmérsékleten és nyomáson, valamilyen katalizátor felületén. A harmadik út, amikor közvetlenül a szén-dioxidot reagáltatjuk vízzel, de nem elektrokémiailag, hanem heterogén katalízissel, magas hőmérsékleten és nyomáson – vázolja a kutató. – Ma még senki sem tudja, melyik út hozza el a végső megoldást. Lehetséges az is, hogy mindhárom út hoz olyan eredményt, amely a különböző természeti adottságú – például megújuló erőforrásokból sok olcsó áramot termelő, vagy éppen termálvízzel rendelkező – területen válik be.

Még mielőtt a levegőbe kerül, a szén-dioxid hasznos anyaggá alakítható egy olyan berendezéssel, ami a kémények mellé telepíthető. Janáky Csaba és munkatársai, együttműködve a ThelesNano Zrt-vel, a GINOP 2.2.1-15-2017-0041 pályázat finanszírozásával olyan eszközöket terveznek, kutatnak és fejlesztenek, amelyek alternatív energiaforrások igénybevételével képesek hidrogént előállítani vagy szén-dioxidot átformálni a vegyipar számára hasznos anyagokká. A 2018. novemberében közmeghallgatáson is bemutatott fejlesztés, a szén-dioxid átalakító reaktor megvalósításához vezető út része az a két közlemény, amely a 2019 júliusában Joule és az ACS Energy Letters szaklapban keltett komoly tudományos érdeklődést.

Döntő a katalizátor alakja

Milyen katalizátort érdemes használni a szén-dioxid átalakításához? A kérdésre több ezer közlemény kísérel meg választ adni. E sokaságon belül mérföldkőnek számít a Janáky Csaba által irányított 6 kutatónak a Joule című szaklapban megjelent friss cikke.

– A katalizátor morfológiájának, azaz alakjának kevesen tulajdonítanak megfelelő jelentőséget. Mi kiderítettük: a katalizátor esetében sem mindegy a küllem – mutatja a Joule friss számában megjelent cikkük illusztrációit Janáky Csaba.

A „nitrogénnel adalékolt szenek” katalizátor-családra fókuszáltak a szegedi kutatók. Azért éppen erre az olcsó, nagy mennyiségben és könnyen előállítható, aktív katalizátor-családra, mert ezek sok-sok szakmai közleményben szerepelnek, ám sokszor egymásnak ellentmondó megállapításokkal.

– Két, kémiailag azonos, vagyis azonos szén-nitrogén arányú, azonos funkciós csoportokkal rendelkező, azonos elektromos tulajdonságú, azonos felületű, de más-más alakú, azaz más-más morfológiájú, vagyis porozitású, lyukacsosságú katalizátor eltérően viselkedik – tapasztaltuk kísérletezés közben. Ezért döntöttük el, hogy a „nitrogénnel adalékolt szenek” katalizátor-családból egyet kiemelünk, s annak minden tulajdonságát rögzítjük, de egyetlen tulajdonságát, a küllemét, azaz a pórusosságát megváltoztatjuk. Sokkoló eredményre jutottunk. Ha a „nitrogénnel adalékolt szén” sima és lyukacsos, azaz porózus változatát vizsgáljuk, akkor az egyiken döntően hidrogént tudunk fejleszteni, míg a másikon szén-dioxidot redukálni – összegez Janáky Csaba.

Milyen a „nitrogénnel adalékolt szén” katalizátor? A „szilikagömbök”, azaz a „silicia colloid” gyöngyök köré leválasztott polimert kiégetik, s a visszamaradó szén a katalizátor alapja. A „szilikagömbök” méretétől függ a pólusok mérete.

Kísérletigényes kutatás

– E kísérlet-igényes kutatás nagyon sok szintetikus munkát igényelt – ismeri el kollégája, a Joule-beli cikk első szerzője, Hursán Dorottya teljesítményét a csapat vezetője, a szerzők sorát záró Janáky Csaba. Hozzáteszi: az új, de egyre jelentősebb energiatudományi lap, a Joule bírálati folyamata is hozzáadott a cikkükben részletezett kutatási eredményhez. A kétéves munka, a kísérletek az SZTE Természettudományi és Informatikai Karon belüli és kívüli együttműködések eredménye. A Joule címlapjára került cikk szerzői közé tartozik, az SZTE munkatársaként – az említetteken kívül – Samu A. Angelika és Janovák László; külső partnerként: Kateryna Artyushkova, Tristan Asset, Plamen Atanassov.

A katalizátorok aktivitása általában különböző. Vagyis eltérő, hogy egy-egy katalizátoron milyen sebességgel lehet átalakítani a szén-dioxidot, illetve hogy a segítségével a vízből milyen gyorsan lehet hidrogént előállítani. A szegedi kutatók kiderítették: nem csupán a katalizátor aktivitása különbözik, hanem az is, hogy milyen e két folyamat sebességének egymáshoz viszonyított aránya. Ugyanis a sima felületű katalizátoron döntően hidrogén fejlődött, a lyukacsos felületű elektródon döntően szén-dioxid redukálódott – derült ki a szegedi kísérletek összegzésekor.

– Miért? – kérdez vissza a kutató. – Három folyamat szerepe miatt. Az egyik: nem mindegy, mennyire nedvesíti az oldat vagy a folyadék magát az elektródot: ha sok nedvesség van, akkor sok hidrogén fejlődik, ha kevésbé nedves a közeg, akkor kevesebb. A másik megfigyelésünk: a szén-dioxid felületen való megkötődése függ attól, hogy mennyire hajlott a felület, s kimutattuk, mely pórusméret mellett kötődik a legjobban a szén-dioxid. A harmadik megállapításunk, hogy amikor fejlődnek a gázbuborékok, akkor – attól függően, hogy érdes vagy sima a katalizátor felülete – különböző méretűek a buborékok és eltérő ideig maradnak a felületen.

Az SZTE tudósai arra hívják föl kutatótársaik figyelmét, hogy a katalizátor morfológiája döntő a kísérleti eredmények értelmezésekor. A gyakorlati élet szempontjából fontos üzenetük, hogy a porozitás változtatásával, optimalizálásával javítható a különböző katalizátorok aktivitása, vagyis növelhető a szén-dioxid-hasznosítás teljesítménye.

– A folytatás? – néz föl Janáky Csaba. – A „nitrogénnel adalékolt szénen” kívül valamilyen fémet is tartalmazzon a katalizátor-struktúra! Ennek kutatása az elmúlt egy-két év slágere a tudományterületünkön. Mi megpróbáljuk e fémekkel kapcsolatos eredményeket a morfológia terén szerzett tudásunkkal összehozni, hogy hozzájáruljunk az iparilag releváns katalizátorok fejlesztéséhez.

Az első sokrétegű cellák

A szegedi kutatók hidrogénfejlesztésre és a szén-dioxid átalakítására nemcsak katalizátorokat és katalizátor előállítási módszereket fejlesztettek, hanem elkészítették azokat a laboratóriumi szinten már kiválóan működő cellákat is, amelyek a későbbi méretnövelés alapját képezik.

– Ez az első olyan szén-dioxid átalakító elektrokémiai cella, ahol több réteget kapcsolunk egy-egy cellába – jelenti be Janáky Csaba. – Ez ugyanúgy áttörést hozhat az ipari alkalmazás terén, mint amikor a tüzelőanyag-celláknál, vagy amikor a vízelektrolizáló celláknál elkezdték a többrétegű cellákat alkalmazni.

A szén-dioxid átalakításnak ez az újabb módszere nagy mérnöki és tudományos kihívást jelent(ett) a szegedi kutatók és az ipari partner ThalesNano Zrt. mérnökei számára.

– Bevezetjük a szén-dioxidot a katód oldalon, ahol redukáljuk a szén-dioxidot. A másik oldalon vizet vezetünk be… Itt foglalkozni kell víz-menedzsmenttel, a bemenő gázzal, a keletkező gázzal is, ugyanakkor arra is figyelni kell, hogy kellően vizes legyen a szén-dioxid... Mindezeket a paramétereket összhangba kell hozni – magyarázza Janáky Csaba. Ráadásul, ha egy elektrokémiai cella-kötegbe számos cellaegységet építünk össze, akkor az ezek közötti anyagtranszport megvalósítása nem nyilvánvaló.

A helytakarékos és költséghatékony megoldás elveit az ACS Energy Lettersben, e rangos tudományos lapban publikálták. A technikai és műszaki megvalósíthatóságot szabadalomban részletezték.

– Szén-dioxidot hasznos termékké úgy is átalakíthatunk, hogy ültetünk egy fát. Ám a szén-dioxid kibocsátás 30-35 százalékáért felelős ipari kibocsátók esetében más megoldásokra van szükség. A nagy koncentrációjú szén-dioxidforrások – például egy gyárkémény, egy hőerőmű vagy cementgyár kéményéből ömlő szén-dioxid-mennyiség átalakítására új berendezéseket kell fejleszteni– hangsúlyozza Janáky Csaba.

Az ACS Energy Lettersben a szegedi kutatók két termék létrehozásának elveit írják le. Az egyik a szintézisgáz, ami sok vegyipari folyamat kiindulási anyaga. A másik az etilén, ami a petrolkémia és a műanyagipar fontos alapanyaga. Újdonságuk, hogy kiléptek a laboratóriumból, a reaktor-, és berendezés fejlesztésben specialista együttműködő partnerükkel, a ThelesNano Zrt.-vel együtt értek el eredményt.

– Az elektrokémiai átalakítás szépsége, hogy nagy mennyiségű szén-dioxidot tudunk majd kis helyen átalakítani. Amekkora méretet 2021-re, a projekt végére el szeretnénk érni, az egy konténernyi méretű lesz, de több hektárnyi erdő szén-dioxid-átalakító kapacitásának felel majd meg – magyarázza a szegedi kutató. – E folyamat energiahatékonysága jelenleg 40-50 százalék. Ipari partnereink szerint, ha e hatékonyságot 55-60 százalékra tudjuk emelni, aminek nincs elvi, vagyis kémiai akadálya, akkor két év múlva indulhat az elektrokémiai szén-dioxid-átalakítás további felskálázása, nagyüzemi szintre.

A módszer több előnye közül az egyik jelentős az, hogy attól függően, milyen katalizátort teszünk a cellába, különböző – a már említett szintézisgáz vagy etilén mellett – termékeket tudnak előállítani. Figyelemmel arra, hogy az értékláncába ez vagy az illik jobban.

– A hosszú távú cél, hogy az ipari partnerek a szempontjukból különböző típusú szén-dioxid-forrásokra leginkább alkalmas módon adaptálják a módszert, illetve a folyamat végén keletkező hasznos vegyipari alapanyagot, illetve tüzelőanyagot – árulja el Janáky Csaba. – A további méretnövelés érdekében az ipari partnerekkel közösen indítandó program előkészítése folyamatban van.

SZTEinfo – Újszászi Ilona

Fotók, montázs: Bobkó Anna