Atmosfere salınarak, sera etkisi yaratan ve iklim değişikliği sorunlarına neden olan CO2, formik asit veya metanol gibi endüstriyel işlemlerde gerekli olan maddeler için hammadde olarak kullanılabilir. CO2 dönüşümü sağlayan nanodiamondlar’ın, çevre dostu bir fotokatalist olarak hizmet ettiği laboratuvar çalışmalarında ayrıntılı olarak araştırılmıştır. Fraunhofer Mikro Mühendislik ve Mikro Sistemler Enstitüsü IMM’den araştırmacılar, bu reaksiyonu sürekli bir sürece dönüştürmek için diğer ortaklarıyla birlikte çalışıyorlar.
CO2’in Dünyamıza verdiği hasar göz önünde bulundurulduğu gerek şirketler gerekse hükümetler yenilenebilir enerjiye geçiş ile ilgili birçok adım atıyorlar. Bu adımlar son yıllarda oldukça hızlanmış olsa da fosil yakıtların kullanılması ne yazık ki bir anda sonlandırılamıyor. Bu noktada yenilenebilir enerjiye geçiş için projeler devam ederken, CO2’in sadece bir karbon atomu içeren formik asit veya metanol gibi endüstriyel olarak ilgili C1 yapı taşlarının üretiminde hammadde olarak kullanılabileceğiyle ilgili araştırmalar da sürüyor. Bu yöntem nanodiamondlar’ın kullanımını içermektedir. Nanodiamondlar bir katalizör olarak kullanılarak, CO2’yi, formik aside dönüştürür ve sulu bir ortamda kısa dalga UV-C ışığı ile ışınlanır. Bu yöntem şu anda Würzburg Üniversitesindeki Prof. Anke Krüger laboratuvarlarında incelenmektedir.
CO2 dönüşümü sağlayan nanodiamond elmasının katalizör olarak kullanılmasının pahalı bir uygulama olacağını düşünenler için bu işlemde kullanılan elmasın pahalı bir mücevher sınıfında olmadığını belirtelim. Nanodiamond, endüstriyel ölçekte üretilen ve bu nedenle katalizör olarak nispeten ucuz olan bir patlama elmasıdır. Ayrıca, büyük ölçüde karbondan oluşur ve bu nedenle çevre dostu, yeşil bir katalizördür.
Yukarıdaki resim: Elmas yüzeylerde CO2‘nin fotokatalize dönüşümü için enerji kaynağı olarak görünür ışık şimdiye kadar, deneyler bir parti reaktöründe gerçekleştirildi, yani karıştırılmış bir şişe. Fraunhofer IMM’deki bilim adamlarından biri Dr. Thomas Rehm, bu yöntemin bazı dezavantajları olduğunu söylüyor. Rehm, İlk olarak, gaz ve sıvı faz ve katalizör idealden daha azdır. İkincisi, katalizör, yani etrafında yüzen nanopartiküllerin reaksiyondan sonra çözeltiden ayrılması gerekir. “ Dedi.
Geniş Alanlı Elmas Katalizör
Araştırma ekibi, katalizörü geniş alanlara, özellikle yaklaşık 5×9 santimetre ölçülerindeki reaksiyon plakalarına uygulamak için bir yol bulmuştur. Şimdiye kadar kullanılan parti süreci, tüm bileşenleri bir şişeye yerleştirmeyi ve reaksiyon sona erene kadar beklemeyi içerdiği için sürekli çalışma sağlamak için bu şekilde yollar deneniyor.
Bu amaçla, araştırmacılar elmas katalizörü ile kaplanmış mikrokanalları içeren dik duran reaksiyon plakalı bir mikroreaktör geliştirdiler. Plakanın üstünde, suyun sürekli pompalandığı bir yarık bulunur. Sıvı daha sonra plakadan aşağı doğru akar. Kılcal kuvvetler, mikrokanalları sürekli olarak kaplayan 10 ila 50 mikrometre kalınlığında bir sıvı filmin oluşmasına neden olur. CO2 bir karşı akış konfigürasyonunda reaksiyon plakası üzerinden aşağıdan yönlendirilir.
CO2‘yi C1 yapı taşlarına dönüştüren sürekli çalışan akış reaktörünün anahtar elemanı olarak mikrokanallı elmas kaplı reaksiyon plakası.
Bu şekilde, katalizör filmine ve daha küçük bir çözelti hacminde çok daha yüksek miktarlarda karbondioksit uygulanabilmektedir. Bu, daha yüksek CO2 ile sonuçlanabilecek gaz-sıvı-katı temasını iyileştirerek, dönüşüm ve dolayısıyla daha fazla miktarda formik asit sağlamaktadır.
UV Işığı Yerine Görünür Işık
Araştırmacılar, artık nano ölçekli katalizör durumunda olduğu gibi enerji yoğun UV-C ışığı kullanmıyorlar. Bunun yerine daha ucuz ve kullanımı daha kolay olan görünür ışık kullanıyorlar. Bu, görünür ışığı yakalaması gerektiği, ancak yine de nano ölçekli elmasla aynı reaksiyonu tetiklemesi gerektiği için elmas yüzeyinde bir değişiklik yapılmasını gerektirir.
Bu amaçla, araştırmacılar, elmas yüzeyine görünür ışık yakalayabilen metal komplekslerini, organik bileşikleri kimyasal olarak bağlarlar. Kompleksler, tüm yüzeyi kapsamaz, bu da sıvı ve karbondioksitin hala elmas tabakası ile temas ettiği anlamına gelir. Modifiye edilmiş kaplama üzerinde görünür ışık parladığında, bazı elektronlar, elmas kristal kafesinden ve elmas tabakasının yüzeyine kaldırılır. Daha sonra CO2‘e aktarılırlar. Böylece su ile kombinasyon halinde formik asit oluşturulabilir.
Rehm, Burada sahip olunanın ışıkla çalışan bir elektron pompası olduğunu ifade ederek, daha fazla elektron sağlamak için ekip, elmas yüzeyine düşük bir elektrik voltajı uygulayabilir.” Dedi.
Uygulamadaki başarılardan biri de geniş alan katalizörü ve görünür ışık kullanımının başarılmış olmasıdır. Araştırma ekibinin hala üzerinde çalıştığı bir husus düşük temas süresidir. CO2, su ve elmas tabakası şu anda reaksiyon için sadece 10 ila 15 saniyeye sahiptir. Araştırmacılar, reaksiyon hızını arttırmak için daha verimli metal kompleksleri veya daha uzun temas sürelerini sağlamak için reaktörün uyarlanması şeklinde iki çözüm düşünüyorlar.
Fotokimya ve Biyokatalizin Kombinasyonu
Ayrı bir projede, dört farklı Fraunhofer enstitüsünden üyelerden oluşan bir ekip, ışığın kimyada kullanımı konusunda daha fazla adım atıyor. Proje, fotokimyasal kataliz ile biyolojik enzimlerin katalizörünü içeren biyokatalizi bir araya getirmek istiyorlar. Amaç, farmasötik veya zirai kimyasallar gibi uygulamalarda gerektiği gibi yüksek derecede enantiyomerik saflığa sahip ince kimyasallar üretmektir.
Burada, araştırma ekibi iki katalitik yöntemi birleştirerek mümkün olan kaskad benzeri reaksiyonlardan yararlanır. Konsorsiyum, gelecekte karmaşık moleküllerin sentezi için yüksek derecede sinerji elde etmeyi umuyor.
