Načrtovanje selektivnih katalitskih postopkov pretvorbe CO2 v etanol / Unlocking the Selective Catalytic Conversion Processes of CO2 to Ethanol – UliSess

Vsak dan se v ozračje izpustijo ogromne količine toplogrednih plinov
(GHG), kar posledično povzroča globalno segrevanje. Od vseh ogljikov
dioksid (CO2) prispeva največji delež (72 %) emisij toplogrednih plinov,
predvsem zaradi uporabe velikih količin fosilnih virov, njegove emisije
pa še naraščajo. Zato sta zajemanje in izkoriščanje ogljika (CCU)
in/ali zajemanje in shranjevanje ogljika (CCS) ključnega pomena pri
zmanjševanju emisij CO2. Od obeh možnosti je CCU bolj privlačna in bolj
obetavna pot.

CO2 se lahko pretvori v množico potencialnih kemikalij z dodano
vrednostjo, izmed vseh pa je etanol odlična izbira. Čisti etanol ima
izjemno uporabnost, kot na primer čisto gorivo, motorno gorivo, aditiv
za gorivo, surovina v proizvodni industriji, topilo, nizkotemperaturna
tekočina itd. Proizvodnja etanola s fermentacijo se v mnogih pogledih
šteje za neetično, saj je za surovine potrebna obdelovalna površina, ki
bi lahko služila proizvodnji hrane. Trajnostno pa lahko dosežemo
pretvorbo CO2 v etanol z neposrednim hidrogeniranjem z uporabo zelenega
vodika. V tem projektu želimo podnebne spremembe ublažiti v dveh
korakih, a) pri zajemanju in izkoriščanju CO2 ter b) pri zmanjšanju
energetskih potreb pri njegovem čiščenju.

Da bi to dosegli, je potrebno odpraviti nekatere težave, na primer
aktivacijo CO2 in spajanje C-C, ki vodijo v nizke donose in
nezadovoljivo selektivnost. Objavljenih je bilo več študij, ki so te
težave v različnem obsegu premagale. Vendar pa obstoječe pomanjkljivosti
drastično zmanjšajo uporabnost neposredne hidrogenacije CO2 in nas
spodbujajo k raziskovanju novih strategij za takšno sintezo etanola.

V predlaganem projektu se bomo lotili opisanih vprašanj z
večstranskim pristopom. Raziskali bomo proizvodnjo etanola s pomočjo a)
treh različnih katalitskih procesov, b) etanol bomo očistili (razvoj
pilotnega procesa) z uporabo najsodobnejših postopkov ekstrakcije, in c)
matematično opisali vse postopke točke a in b.

Do tega cilja bomo prišli s tarčno usmerjenim pristopom.
Sintetizirali in v celoti bomo okarakterizirali katalizatorje za vse tri
katalitične procese. Za a) termokatalitski (katalizatorji na osnovi z
bakrom modificiranega zeolita), b) elektrokatalitski (poli-metalni
nano-katalizatorji, podprti na različnih materialih) in c) radiolitični
pristop (katalizatorji na osnovi bakra). Proizvedeni etanol bomo d)
prečistili z ekstrakcijo z večstopenjskim protitočnim superkritičnim
ogljikovim dioksidom. Na koncu bomo e) opisali vse pristope s
simulacijami prvih principov, kinetičnim opisom in mezoskopskimi
simulacijami prepustnosti membrane. Slednje bodo omogočile povratno
zanko, kjer bodo rezultati modeliranja implementirani v naslednjem krogu
eksperimentov.

Pričakujemo, da bomo 1) identificirali najbolj učinkovit katalizator
(termo- in elektrokataliza ter radioliza), podprt na različnih
materialih, in 2) določili, kako specifične lastnosti materiala vplivajo
na katalitično reakcijo. Poleg tega pričakujemo, da bomo 3) pridobili
poglobljeno razumevanje, kako procesni parametri spreminjajo
selektivnost in aktivnost katalizatorja ter stabilnost. Poleg tega
verjamemo, da lahko zmanjšamo 4) potrebo po energiji pri čiščenju
etanola. In končno, z matematičnim modeliranjem predvidevamo, da bomo 5)
sestavili več-nivojski model, ki bo opisal (napovedal)
aktivnost/selektivnost katalizatorja in učinkovitost ekstrakcije.

Navsezadnje bodo rezultati predlaganega projekta še dodatno
pripomogli k temeljnemu razumevanju več katalitičnih in čistilnih
procesov. To znanje ni omejeno na proizvodnjo/čiščenje etanola in ga
lahko uporabijo raziskovalci na drugih področjih. Konzorcij sestavljajo
izjemni raziskovalci, strokovnjaki na relevantnih področjih, zato pri
projektu pričakujemo rezultate izjemne kakovosti.