Pillerimiz için ihtiyaç duyduğumuz bir malzemeyi doğrudan havadan karbondioksit çekerek üretebilsek harika olmaz mıydı?
Bu kulağa gerçek olamayacak kadar iyi gelse de, kimyagerler bir yolunu buldu.
Erimiş tuz elektrolizi, aşırı ısıtılmış tuzlara elektrotlar batırarak gerçekleştirilen bir işlemdir.
Moleküllerin ve elektriğin bu özenli birleşimi, karbondioksidi havadan çekerek karbon ve oksijen atomları arasındaki bağları yeniden düzenler ve karbonu grafit gibi katı bir hale kilitler.
Bilim insanları, yıllardır bu 500 derece selsiyus (932 derece farenhayt) tepkimesi sırasında moleküler düzeyde tam olarak neler olduğunu merak ediyorlardı.
Şimdi, ilk kez bunu bizzat görmeyi başardılar.
Bir teknoloji ve bilim sitesi olan Teknoscope'da yayınlanan bir makalede, Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley'den kimyasal fizikçi Sander Ratso liderliğindeki bir ekip, malzemelerin dönüşümünü gerçek zamanlı olarak izlemelerini ve aynı zamanda moleküller içindeki bağların titreşim modlarını tespit etmelerini sağlayan bir süreci anlatıyor.
Ratso, bu gelişmeyi şöyle özetliyor: "Çok basitçe ifade etmek gerekirse, eskiden kapalı bir fırında yemek yaparken şimdi ona bir pencere takmış olduk."
Ratso ve ekibi, "Bu tepkimenin nasıl ilerlediğini ve karbonun yapısının zamanla nasıl geliştiğini anlamak, elektrolizden çıkan yapıyı kontrol etmenin ve nihayetinde tasarlamanın ilk adımıdır" diyor.
Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'ndan yerbilimci Mike Whittaker, "Bu, erimiş tuzlar kullanılarak kritik malzemelerin ve pil malzemelerinin sentezlenmesi yönündeki daha büyük bir çabada büyük bir kazanımdır" şeklinde konuşuyor.
Bu yaklaşım, CO2 elektrolizi sırasındaki karbonun ve ara türlerin evrimi hakkında daha önce görülmemiş ayrıntılar sağladı ve iki adımlı bir tepkime yolu ortaya çıkardı.
Elektrolizi gözlemlemek için Raman spektroskopisi kullanan araştırmacılar, karbon yavaşça biriktikçe karbona bağlı peroksitin görünümünü gösteren ışık bantları fark ettiler.
Bilim insanları, peroksitin bu sürecin ara bir parçası olabileceğini 1999'da öne sürmüşlerdi.
Ratso ve ekibi yayınladıkları makalede, "Peroksit bandı tutarlı bir şekilde ortaya çıkıyor ve karbon birikimiyle eş zamanlı olarak artıyor, bu da peroksitin bizim koşullarımız altında CO2'den karbona giden yolu sağlayan mekanik ara ürün olduğunu doğrudan kanıtlıyor" diye yazıyor.
Araştırmacıların kullandığı katotlara bağlı olarak farklı türlerde birikmiş karbonlar ortaya çıktı, ancak temel tepkime aynı kaldı.
Saf bir nikel katotta, nanotüp ve plaka benzeri şekillerde karbon buldular.
Inconel 600 alaşımından yapılmış bir katot neredeyse tamamen plakalardan oluşuyordu.
Ve altın bir elektrot üzerinde, karbon ancak 'amorf' kümeler olarak tanımlanabilecek şekilde birikti.
Bir tungsten katot ise daha fazla amorf karbonun yanı sıra 'karbon nano-soğanları'nın hoş bir eklenmesiyle sonuçlandı.
Bu gözlemler, bilim insanlarının pil, akıllı telefon ve endüstriyel ekipmanlarda kullanılan türden, ihtiyaç duyulan karbon formuna bağlı olarak süreci şekillendirmesine yardımcı olabilir.
Whittaker, "Eğer bu işlemi düşük sıcaklıklarda ve gerçekten ucuz tuzlarla yürütebilirseniz, birçok yerde kullanabilirsiniz ve pil tedarik zincirlerine besleyebileceğiniz kadar grafit üretebilirsiniz" diyor.
Birkaç şirket bu teknolojiyi zaten endüstriyel ölçekte kullanıyor ve kilogramdan tonlarca karbon ürünü üretiyor. Ratso da bunlardan birinin kurucu ortağı.
Ratso, "Ancak bildiğim kadarıyla tüm bu şirketler, sentez koşulları saha dışı deneme-yanılma ölçümlerinden çıkarılan belirli ürünlere odaklanıyor" diye açıklıyor.
Ratso, "Temel olarak, bir malzeme sentezlersiniz, yapısını kontrol edersiniz, ardından bir sentez değişkenini değiştirir ve reaktörden ne çıktığını tekrar kontrol edersiniz. Bu, karbon malzemelerin özelliklerindeki herhangi bir iyileşmeyi zaman alıcı ve pahalı hale getirdi ve mevcut malzemelerin aralığını ve kalitesini sınırladı."
Çalışma sırasındaki Raman spektroskopisi analizlerinden elde edilen içgörüler, süreci çok daha verimli hale getirebilir.
Piller ve yakıt hücrelerinde kullanılan karbonların mevcut üretim yöntemleri, büyük CO2 eşdeğerlerine (üretilen her kilogram malzeme başına kilogram CO2 salımı) sahip.
Bu nedenle, atmosferden karbondioksit kaynağı olarak grafit tedarik etmek çok cazip bir konsept - bu sadece gelecekteki emisyonları azaltmakla kalmaz, aynı zamanda zaten salınmış olanların bir kısmını aktif olarak ortadan kaldırabilir.
Teorik olarak, evet. Uzmanlar, karbon yakalama, değerlendirme ve depolamanın tek başına iklim sorunlarımızı çözmek için yeterli olmayacağı konusunda hemfikir.
Ancak Ratso, bu grafit üretim tekniğinin de rolü olduğuna inanıyor.
Ratso, "Erimiş tuz elektrolizi yöntemi, rüzgar, güneş veya nükleer enerji ile birleştirildiğinde bu malzemeleri negatif CO2 eşdeğerleriyle üretebilir" diyor.
Ratso, "Bunun, çevredeki CO2 seviyeleri üzerinde gerçek bir etkisi olabilecek en önemli teknolojilerden biri olduğuna kesinlikle inanıyorum" diye ekliyor.
Araştırma, Nature Communications dergisinde yayınlandı.
