Kulstofopsamling og omdannelse må ikke være afhængig af sjældne metaller

Sidste år, mennesker udsendte cirka 37 milliarder tons kuldioxid til atmosfæren - et katastrofalt og uholdbart tal. For at undgå de værste virkninger af klimaændringer kunne vi fange noget af det kulstof, da det frigives af kraftværker og gemme det permanent under jorden. Endnu bedre, noget af det kuldioxidaffald kunne omdannes til nyttige kemikalier eller brændstof.

Disse processer er henholdsvis kendt som "kulstofopsamling og -lagring" og "udnyttelse af kuldioxid", og begge kræver store mængder råvarer. Som et eksempel, kulstoffangst kan involvere at køre emissioner over noget metal, som derefter reagerer med (og dermed fanger) CO₂, før den omdannes til et andet stof, der kan opbevares eller genbruges.

For at gøre et indhug i klimaforandringer, den nødvendige mængde metal ville være enorm. For eksempel, hvis 1 gram af et metal, i en metalkatalysator, kunne opfange 100 gram kulbaserede kuldioxidemissioner (et optimistisk scenario), omkring 1,5 mio. tons af dette metal ville reducere de globale emissioner med kun 0,4 %.

Så, selvom det er vigtigt at holde kulstof ude af atmosfæren, det er lige så vigtigt, at vi gør det på en grøn og bæredygtig måde. Hvis der nogensinde bruges store mængder af et metal til at reducere CO2 -udledningen markant, den skal have en bæredygtig forsyning, så reserverne ikke opbruges.

Desværre, mange teknologier synes i sidste ende at være uholdbare. For eksempel, en nylig undersøgelse foretaget af et hold japanske videnskabsmænd, fremhævet af Royal Society of Chemistry, beskrevet, hvordan en katalysator baseret på metallet rhenium omdanner kuldioxid til kulilte. Kulilte er nyttigt, da det kan bruges til at danne kemikalier og brændstoffer som brint og methanol.

Katalysatoren er faktisk ekstremt aktiv og kan arbejde med kuldioxid i meget lave koncentrationer, men systemet er stadig ikke ideelt. Rhenium er meget sjældent:mest fundet i Chile og Kasakhstan, det anslås at have en overflod på mindre end 10 dele pr. milliard i jordskorpen (svarende til 0,000001%). For at sætte det i udsigt, aluminium er 8 millioner gange mere rigeligt og tegner sig for omkring 8% af jordskorpen.

Rhenium i sig selv bruges mest til at lave turbinevinger i flyjetmotorer. Hvis dette metal blev brugt til at tackle klimaændringer globalt, ressourcer ville falde, og prisen ville stige. Dette ville have en afsmittende effekt på industriel fremstilling.

Dens lave overflod betyder også, at det ville være dyrt at producere denne katalysator. Det er derfor usandsynligt, at en global forretningsmodel for verdensomspændende rheniumbaseret kuldioxidudnyttelse ville blive forfulgt.

I en anden undersøgelse, et amerikansk forskerhold skabte en rutheniumkatalysator, som kunne omdanne kuldioxid fra luften til brændstoffet methanol. Imidlertid, ruthenium er også utrolig sjældent, og vil sandsynligvis støde på de samme problemer med tilgængelighed og omkostninger.

Bæredygtig kuldioxidomdannelse

Heldigvis, det er muligt at udvikle katalysatorer, der er mere bæredygtige og miljøvenlige. Dette hænger sammen med principperne for "grøn kemi", som har eksisteret siden 1990'erne og er gået fra styrke til styrke.

Jeg er en af ​​mange forskere over hele kloden, der bruger relativt rigelige, og dermed mere bæredygtig, metaller til kuldioxidomdannelse. Kolleger og jeg udviklede for nylig en aluminiumskatalysator, for eksempel. Det giver mening at bruge aluminium, da det er et af de mest udbredte metaller i jordskorpen og har vist lovende kuldioxidudnyttelse.

Denne katalysator kan omdanne kuldioxid til cykliske carbonater, kommercielt værdifulde produkter, der bruges i batterier, lægemidler og polymerer. Katalysatoren kan også "regenereres", når dens reaktivitet er væk og kan genbruges flere gange.

Overflod vs reaktivitet

Men det er ikke altid ligetil at bruge mere rigelige metaller, og jeg indrømmer, at jeg selv har satset på at bruge mindre bæredygtige metaller. Disse omfatter chrom, en giftig form, som var emnet for filmen "Erin Brockovich, "og platin, et andet metal, der skønnes at udgøre mindre end 0,000001% af jordskorpen.

Jeg brugte disse sparsomme metaller, fordi bæredygtighed ikke altid er en erstatning for reaktivitet. Grundlæggende kemiske forskelle mellem sjældne og rigelige grundstoffer betyder, at simpel substitution ikke nødvendigvis vil skabe en katalysator. For eksempel, mine kolleger fandt ud af, at chrom i nogle tilfælde var mere reaktivt end aluminium til at danne cykliske carbonater.

Forskning i sjældne metaller er stadig et interessant område at udforske og vil føre til nye kemiske opdagelser, som mange metaller ikke kunne producere. Den imponerende katalytiske aktivitet af rhenium- og ruthenium-katalysatorerne må ikke ignoreres.

Det massive problem med klimaændringer betyder imidlertid, at vi skal være mere realistiske og hensynsfulde, når det kommer til at designe katalysatorer til storstilet industriel anvendelse. Dette er på ingen måde en nem bedrift.

Selvfølgelig, blot at bruge rigelige naturlige materialer vil ikke nødvendigvis gøre vores metoder grønnere. En sand evaluering af bæredygtighed er hård og involverer en kompleks vurdering af hele processen, herunder faktorer som anvendte råvarer krævet energi, driftsomkostninger og kulstofbesparelse.

Ultimativt, vi må aflede mere indsats mod en bæredygtig reduktion af klimaændringer så hurtigt som muligt. Som David Attenborough sagde på det seneste COP24 -topmøde i Polen:"Hvis vi ikke tager handling, vores civilisationers sammenbrud, og udryddelsen af ​​meget af den naturlige verden, er i horisonten. "

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.