Načrtovanje selektivnih katalitskih postopkov pretvorbe CO2 v etanol – 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.