Szacuje się, że 80 proc. światowego zapotrzebowania na energię wciąż zaspokajamy surowcami pozyskiwanymi z paliw kopalnych. To rodzi co najmniej dwa poważne problemy: energetyczny – bo złoża wyczerpują się, i ekologiczny – bo dalsze z nich korzystanie stanowi zagrożenie dla ziemskiego ekosystemu.
Jednym z najbardziej perspektywicznych paliw przyszłości jest wodór. Najbardziej ekonomiczną, a zarazem najpowszechniejszą, technologią jego produkcji jest reforming parowy metanu (SRM, Steam Reforming of Methane). Choć brzmi tajemniczo, to nic innego, jak reakcja pary wodnej z metanem przebiegająca w bardzo wysokich temperaturach – od 700 st. do nawet 1000 st. C. Metan jest związkiem bardzo stabilnym, dlatego jego destabilizacja jest kluczowa dla zajścia reakcji chemicznej. Bardzo ważną rolę w tym procesie odgrywają katalizatory. Po pierwsze, odpowiadają za to, by reakcja przebiegała w możliwie jak najniższej temperaturze. Ta właściwość katalizatorów jest definiowana jako ich aktywność. Po drugie – w przypadku reakcji, w wyniku której można uzyskać kilka albo nawet kilkanaście produktów – zadaniem katalizatora jest skierowanie jej na taką ścieżkę, by otrzymać produkt, na którym nam zależy. To selektywność katalizatora.
– Problem w tym, że technologia SRM oparta jest na wykorzystaniu gazu ziemnego, a więc nieodnawialnego paliwa kopalnego – tłumaczy prof. dr hab. Kinga Góra-Marek z Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. – Atrakcyjną alternatywą dla niej może być reforming parowy etanolu (SRE, Steam Reforming of Ethanol), w szczególności etanolu fermentacyjnego (bioetanolu). Bioetanol jest najlepszym kandydatem z wielu powodów: jest odnawialny i powszechnie dostępny, łatwy do transportu, ulega biodegradacji, jest niskotoksyczny, i w końcu możemy go przekształcić w obecności katalizatora w bogatą w wodór mieszaninę. Bioetanol może być wytwarzany z wielu surowców odnawialnych, co także jest jego ogromną zaletą.
Reakcja SRE przebiega jednak w sposób bardzo skomplikowany. Po drodze może się tworzyć wiele innych produktów, w tym etylen, który przekształca się na powierzchni katalizatora w związki węglowe, koks, co sprawia, że katalizator przestaje być aktywny. – Zahamowanie ścieżki, która prowadziła do etylenu, było jednym z najważniejszych wyzwań – przyznaje profesor.
Profesor Góra-Marek i dr inż. Karolina Tarach na co dzień zajmują się przekształcaniem ropy naftowej i tworzyw sztucznych (plastików) w paliwa. O katalizatorach wiedzą więc dużo. Od lat wykorzystują do tego celu zeolity, grupę minerałów glinokrzemianowych, które w naturze występują w skałach wulkanicznych. W ich skład wchodzą glin, tlen i krzem, czyli podstawowe pierwiastki, z jakich jest zbudowana skorupa ziemska. Kiedy więc dr Gabriela Grzybek, która wraz z dr Magdaleną Greluk i dr Grzegorzem Słowikiem (oboje to pracownicy Wydziału Chemii UMCS w Lublinie) pracowała nad procesem uzyskiwania wodoru z wykorzystaniem nośnikowych katalizatorów kobaltowych, poprosiła badaczki o przeanalizowanie kilku układów, sięgnęły one również po te, które najlepiej znały.
Zeolity, odpowiednio zmodyfikowane kobaltem, okazały się strzałem w dziesiątkę. – Po drodze było wiele badań, badaliśmy różne glinokrzemiany, o różnej wielkości ziaren i zawartości glinu w strukturze, wiele parametrów katalizatora trzeba było zoptymalizować, ale w rezultacie te na bazie zeolitów okazały się jednymi z najlepszych, najbardziej selektywnych katalizatorów, jakie opisuje literatura – mówi prof. Góra-Marek.
Czym sobie zasłużyły na tę opinię? Po pierwsze, wyeliminowanie z zeolitu glinu zamknęło ścieżkę do produkcji etylenu, co znacząco zwiększyło to, co najistotniejsze w tym procesie, czyli produkcję wodoru. Po drugie, na katalizator składa się nośnik, w tym przypadku zeolit, oraz faza aktywna, w tym przypadku metaliczny kobalt. A im większe rozdrobnienie fazy kobaltowej, tym większa aktywność katalizatora. W krakowskim laboratorium udało się uzyskać ziarna fazy kobaltowej rzędu kilku nanometrów. Po trzecie, katalizator jest bardzo stabilny, co daje możliwość bardzo długiej pracy przy niezmienionej aktywności i selektywności. – To istotne, bo są katalizatory, które mogą pracować przez kilka lat, ale są i takie, które działają jedynie przez kilka sekund, po czym trzeba je wymieniać i regenerować – podkreśla dr Karolina Tarach.
Ponieważ stabilne katalizatory nie potrzebują przez długi czas wymiany czy regeneracji, cały proces jest tańszy. Co ważniejsze, dzięki zastosowaniu w roli fazy aktywnej metalu nieszlachetnego, synteza materiału jest jeszcze ekonomiczniejsza. – Poza tym chodziło o to, by metoda syntezy katalizatora była łatwa do przeskalowania, przejścia od fazy laboratoryjnej do przemysłowej z użyciem katalizatora liczonego nie w gramach, lecz w tonach. Powinna być więc jak najprostsza i powtarzalna. I taka właśnie jest – podsumowuje prof. Kinga Góra-Marek. ©Ⓟ
fot. materiały prasowe