Karbondioksitten Metanol Üretimi

Karbondioksiti (CO₂) daha kullanışlı kimyasallara, örneğin metanole (CH₃OH) dönüştürmek hem çevre kirliliğini hem de petrol ürünlerine olan bağlılığımızı azaltabilir. Bilim insanları bu tür kimyasal dönüşümleri başarmak için uygun katalizörler üzerinde çalışıyor.

Karbondioksitin hidrojenlenmesinin temel adım olduğu tepkimede yer alan, endüstride yaygın olarak kullanılan bakır, çinko oksit ve alüminyum oksitten (Cu/ZnO/Al₂O₃) oluşan katalizörün aktif noktası konusunda tartışmalar var.

ABD’deki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı kimyagerleri, karbondioksitten metanol üretimi sırasında yaygın olarak kullanılan katalizörün aktif noktasını kesin bir şekilde tanımlayan deneysel ve bilgisayarlı modelleme çalışmalarını yayımladı. Science dergisinde yayımlanan makale ile bu tepkimede kullanılan katalizörde hangi katalitik bölgenin önemli rol oynadığı ortaya kondu. Böylece tepkimenin daha etkili bir şekilde gerçekleşmesi için yapılacak çalışmaların odak noktası da belirlenmiş oldu.

Makalenin baş yazarı ve Brookhaven Ulusal Laboratuvarında kimyager olan Ping Liu, Cu/ZnO/Al₂O₃ katalizörünün endüstride kullanıldığını, ancak seçiciliğinin ve etkinliğinin düşük olduğunu söyledi. Bu katalizörün daha düşük sıcaklık ve basınçlarda çalışacak şekilde geliştirilmesinin enerji tasarrufu sağlayacağını ekledi.

Makalenin yazarlarından Jose Rodriguez, katalizörün nasıl çalıştığını anlamak için yaptığı deneylerde farklı katalizör modelleri üzerinde çalıştı.

Birinci modelde bakır yüzey üzerinde çinko nano parçacıklar (Cu/Zn), ikinci modelde ise çinko oksit nano parçacıklar (Cu/ZnO) kullandı.

Örneklere yüksek enerjili X-ışınları uygulayarak atomların oksitlenme seviyelerini ve elektronların kaynağının çinko mu yoksa çinko oksit mi olduğunu öğrendi.

Bu arada Ping Liu ve çalışma arkadaşları karbondioksit-metanol dönüşümü için bu katalizör modelleri üzerinde bilgisayarda kuramsal çalışmalar gerçekleştirdi. Bu çalışmalar kimyasal bağ kırma ve oluşturma, bunun için gerekli olan enerji miktarı, atomların elektronik seviyeleri ve tepkime koşulları gibi temel bilgileri kullanarak, tepkime hızlarını ve hangi katalizörün dönüşüm oranının daha iyi olduğunu belirlemek üzere kullanıldı.

Kuramsal ve deneysel çalışmalarda Cu/ZnO modeli daha iyi sonuçlar verdi. Simülasyonlarda tüm ara ürünler hem bakır hem de çinko oksit yüzeye bağlandı. Rodriguez, karbondioksit-metanol kimyasal dönüşümü için bu iki madde arasındaki uyumun büyük önem taşıdığını belirtti.

Araştırmacılardan Jingguang G. Chen, kuramsal ve deneysel araştırmaların birlikte kullanılmasının endüstriyel öneme sahip katalitik sistemler üzerinde çalışırken gerekli olduğunu vurguladı.

Araştırma ekibi, ilerleyen süreçte Cu/ZnO arayüzünde farklı atom konfigürasyonları deneyerek tepkime hızının nasıl etkilendiğini araştıracak.

Kuramlarını geliştireceklerini ekleyen Ping Liu, katalizörün etkinliğini artırmak için Cu/ZnO arayüzündeki etkileşimler üzerindeki çalışmalarına hız vereceklerini belirtti.

Ekip, geliştirecekleri son katalizör modelini ise endüstriyel ölçekte kullanılabilecek hale getirmeyi planlıyor.

Bu dönüşüm işlemi, doğadaki karbondioksit miktarının azaltılması ve kullanışlı bir madde olan metanol üretimi açısından önemli. Dünyada yıllık metanol üretimi 100 milyon tona yaklaşıyor. Kimya endüstrisinde (özellikle plastik endüstrisinde) hayli fazla kullanılan metanol, içten yanmalı motorlarda yakıt olarak da kullanılabiliyor. Biyodizel yakıtların da temel bileşenlerinden olan metanol fosil yakıtlara olan bağımlılığı da azaltıyor. İyi bir çözücü olan metanol atık su arıtma işlemlerinde de kullanılıyor.

Kaynaklar
• Kattel, S., Ramirez, P. J., Jingguang G. C., Rodriguez, J. A., Liu, P., “Active sites for CO2 hydrogenation to methanol on Cu/ZnO catalysts”, Science, Cilt 355, Sayı 6331, s. 1296-1299, 2017.
• https://phys.org/news/2017-03-chemists-idcatalytic-key-co2.html
• http://www.essentialchemicalindustry.org/chemicals/methanol.html