Raziskovalci so dosegli pomemben napredek v pretvorbi ogljikovega dioksida (CO₂) v uporabne produkte z uporabo kombinacije vidne svetlobe in elektrokemijskih tehnik. Nepričakovano so odkrili tudi izboljšanje ene izmed ključnih kemijskih lastnosti – selektivnost. Ugotovitve kažejo, da vidna svetloba ne vpliva zgolj na hitrost reakcije, ampak znatno povečuje selektivnost, kar odpira nove možnosti za številne kemijske procese, vključno s katalizo, ki igra ključno vlogo v kemični industriji.
Elektrokemijska redukcija CO₂
Elektrokemijska redukcija CO₂ je eden izmed uveljavljenih postopkov za recikliranje tega plina. V tem procesu CO₂ prehaja skozi elektrolizno celico, kjer se razcepi na ogljikov monoksid in vodik, ki sta ključni sestavini za proizvodnjo ogljikovodikovih spojin. Profesor kemije na Univerzi Illinois v Urbana-Champaignu, Prashant Jain, pojasnjuje, da je ta proces običajno počasen in zahteva velike elektrode z dragimi katalizatorji, kot sta zlato ali baker. Njegova raziskovalna skupina si prizadeva pospešiti postopek in zmanjšati količino potrebnega katalizatorja, da bi proizvodnja alternativnih goriv postala cenovno dostopnejša.
V novi študiji, objavljeni v reviji Proceedings of the National Academy of Sciences, sta Jain in njegov nekdanji doktorski študent Francis Alcorn predstavila inovativno metodo, ki združuje vidno svetlobo z nanodelci zlitine zlata in bakra. Ta metoda omogoča bistveno hitrejšo pretvorbo CO₂ in zagotavlja višjo selektivnost kot prejšnje metode. Jain pojasnjuje, da te elektrode delujejo kot »antene«, ki zajemajo fotone iz vidnega spektra in jih usmerjajo v kemijsko reakcijsko pot. V laboratoriju elektrode potopijo v raztopino CO₂, vode in elektrolita, svetlobni žarki laserske naprave pa sprožijo reakcijo, kar vodi do učinkovitejšega nastanka ogljikovega monoksida in vodika.
Izboljšana selektivnost kemijskih reakcij
Največje presenečenje za raziskovalno skupino je bilo povečanje selektivnosti, saj vidna svetloba ni le pospešila reakcije, temveč tudi spremenila njen potek. To je omogočilo boljši nadzor nad proizvodnjo želene kombinacije produktov.
Selektivnost, kot poudarja Jain, je ključna za usmerjanje kemijske reakcije v želeno smer, kar je še posebej pomembno za industrijske aplikacije.
Ena izmed pomembnejših ugotovitev študije je, da vidna svetloba omogoča prilagajanje razmerja med ogljikovim monoksidom in vodikom. To je bistvenega pomena za sintezne pline, ki se uporabljajo v kemični industriji, in predstavlja pomemben korak k bolj trajnostnim in energetsko učinkovitim procesom v prihodnosti.
Vpliv toplote in električnih polj
Uporaba svetlobe v kemijskih reakcijah je predmet razprav, saj lahko toplota, ki jo svetloba prinese, vpliva na rezultate. Vendar je ekipa skrbno izmerila učinke toplote in izključila njen vpliv na izboljšano produktivnost. Poskusi so pokazali, da so za večjo selektivnost in hitrejšo reakcijo odgovorna električna polja ter usmerjen pretok nabojev, ki jih sproži svetlobna ekscitacija, ne pa toplota.
Kljub obetavnim rezultatom se raziskovalci še vedno soočajo z izzivi. Dolgotrajna uporaba nanodelcev v elektrodah lahko vodi do njihove degradacije, zlasti pri večjih obremenitvah, ki so potrebne za industrijsko uporabo. Prav tako bo potrebnih še več raziskav za izboljšanje energetske učinkovitosti postopka in optimizacijo upravljanja svetlobe.
Nova smer razvoja v elektrokemiji in katalizi
Jain poudarja, da študija prinaša povsem nov pristop k razumevanju elektrokemijskih procesov in katalize. Svetloba ni le pospešila reakcije, ampak je spremenila tudi selektivnost katalizatorja, kar odpira nove možnosti za razvoj različnih kemijskih poti in proizvodnjo novih produktov. Potencial te tehnologije se ne omejuje zgolj na pretvorbo CO₂ in razcep vode, temveč bi jo lahko uporabili tudi pri drugih pomembnih katalitičnih reakcijah v kemični industriji.
Z uporabo kombinacije vidne svetlobe in elektrokemije raziskovalci odpirajo nove poti k učinkovitejšemu in cenovno dostopnejšemu recikliranju CO₂. Povečanje selektivnosti in prilagajanje produktov dajejo tej tehnologiji velik potencial za prihodnje aplikacije, še posebej v smeri trajnostne proizvodnje goriv in kemikalij.
Novinar
