Katalis yang tidak dapat dihentikan mengungguli sulfur dalam merevolusi penangkapan karbon

Katalis elektrokimia untuk mengubah karbon dioksida menjadi produk berharga dapat melawan kotoran yang meracuni versi yang sudah ada.

Katalis baru meningkatkan konversi karbon yang ditangkap menjadi produk komersial, mempertahankan efisiensi tinggi meskipun terdapat kotoran sulfur oksida. Inovasi ini dapat secara signifikan mengurangi biaya dan kebutuhan energi dalam teknologi penangkapan karbon, sehingga berdampak pada industri berat.

Para peneliti di Departemen Teknik Universitas Toronto telah berhasil menciptakan katalis baru yang secara efisien mengubah karbon yang ditangkap menjadi produk berharga – bahkan dengan adanya polutan yang menurunkan kinerja versi yang sudah ada.

Penemuan ini merupakan langkah penting menuju teknologi penangkapan dan penyimpanan karbon yang lebih ekonomis dan dapat ditambahkan ke dalam proses industri yang ada.

Perkembangan teknologi konversi karbon

kata Profesor David Sinton (MIE), penulis utama makalah yang diterbitkan di jurnal tersebut Energi alam Pada tanggal 4 Juli yang menggambarkan katalis baru.

“Tetapi ada sektor ekonomi lain yang akan sulit untuk didekarbonisasi: misalnya, manufaktur baja dan semen. Untuk membantu industri-industri ini, kita perlu berinovasi dengan cara-cara yang hemat biaya untuk menangkap dan meningkatkan karbon dalam aliran limbah.”

Mahasiswa doktoral teknik Universitas Toronto Roy Kai (Ray) Miao (kiri) dan Panos Papangelakis (kanan) memegang katalis baru yang mereka rancang untuk mengubah karbon dioksida yang ditangkap menjadi produk berharga. Model mereka bekerja dengan baik bahkan dengan adanya sulfur dioksida, suatu polutan yang meracuni katalis lain. Kredit gambar: Tyler Irving/Universitas Teknik Toronto

Penggunaan elektroliser dalam konversi karbon

Sinton dan timnya menggunakan perangkat yang dikenal sebagai elektroliser untuk mengubah karbon dioksida dan listrik menjadi produk seperti etilen dan etanol. Molekul berbasis karbon ini dapat dijual sebagai bahan bakar atau digunakan sebagai bahan baku kimia untuk membuat benda sehari-hari seperti plastik.

Di dalam elektroliser, reaksi konversi terjadi ketika tiga unsur – gas karbon dioksida, elektron, dan elektrolit cair berbasis air – bergabung pada permukaan katalis padat.

Katalis sering kali terbuat dari tembaga tetapi mungkin juga mengandung logam lain atau senyawa organik yang dapat memperbaiki sistem lebih lanjut. Fungsinya untuk mempercepat reaksi dan mengurangi pembentukan produk samping yang tidak diinginkan, seperti gas hidrogen, sehingga mengurangi efisiensi proses secara keseluruhan.

Mengatasi tantangan efisiensi katalis

Meskipun banyak tim peneliti di seluruh dunia telah berhasil menghasilkan katalis berkinerja tinggi, hampir semuanya dirancang untuk bekerja dengan karbon dioksida murni. Namun jika karbon yang dimaksud berasal dari cerobong asap, kemungkinan besar karbon yang dihasilkan dari proses ini jauh dari kata murni.

“Perancang katalis umumnya tidak suka berurusan dengan kotoran, dan itu untuk alasan yang baik,” kata Panos Papangelakis, seorang mahasiswa doktoral di bidang teknik mesin dan satu dari lima rekan penulis makalah baru ini.

“Sulfur oksida, seperti sulfur dioksida, meracuni katalis dengan mengikat permukaan. Hal ini menyebabkan lebih sedikit tempat bagi karbon dioksida untuk bereaksi, dan juga menghasilkan bahan kimia yang tidak Anda inginkan.”

“Hal ini terjadi dengan sangat cepat: meskipun beberapa katalis dapat bertahan selama ratusan jam pada umpan murni, jika Anda memasukkan pengotor ini, efisiensinya dapat turun hingga 5% dalam hitungan menit.”

Meskipun terdapat metode yang sudah dikenal luas untuk menghilangkan pengotor dari gas buang yang kaya CO2 sebelum memasukkannya ke dalam elektroliser, metode ini memakan waktu, boros energi, dan berbiaya tinggi untuk penangkapan dan optimalisasi karbon. Terlebih lagi, dalam kasus sulfur dioksida, bahkan sedikit pun bisa menjadi masalah besar.

“Bahkan jika Anda mengurangi gas buang hingga kurang dari 10 bagian per juta, atau 0,001% dari umpan, katalis masih dapat meracuni dalam waktu kurang dari dua jam,” kata Papangelakis.

Inovasi dalam desain katalis

Dalam makalah ini, tim menjelaskan bagaimana mereka merancang katalis yang lebih fleksibel yang mampu melawan sulfur dioksida dengan membuat dua perubahan penting pada katalis berbasis tembaga.

Di satu sisi, mereka menambahkan lapisan tipis polytetrafluoroethylene, yang juga dikenal sebagai Teflon. Bahan tidak lengket ini mengubah kimia pada permukaan katalis, menghambat reaksi yang memungkinkan terjadinya keracunan sulfur dioksida.

Di sisi lain, mereka menambahkan lapisan Nafion, polimer konduktif listrik yang biasanya digunakan dalam sel bahan bakar. Bahan berpori yang kompleks ini mengandung beberapa area yang bersifat hidrofilik, yang berarti menarik air, serta area lain yang bersifat hidrofobik, yang berarti menolak air. Struktur ini menyulitkan sulfur dioksida mencapai permukaan katalis.

Kinerja dalam kondisi buruk

Tim kemudian memasukkan katalis ini dengan campuran karbon dioksida dan sulfur dioksida, yang konsentrasinya sekitar 400 bagian per juta, yang mewakili aliran limbah industri pada umumnya. Bahkan dalam kondisi sulit ini, katalis baru bekerja dengan baik.

“Dalam penelitian ini, kami melaporkan efisiensi Faraday—ukuran jumlah elektron yang menghasilkan produk yang diinginkan—sebesar 50%, yang dapat kami pertahankan selama 150 jam,” kata Papangelakis.

“Ada beberapa katalis yang mungkin awalnya memiliki efisiensi yang lebih tinggi, mungkin 75% atau 80%. Namun sekali lagi, jika Anda terpapar sulfur dioksida, dalam beberapa menit atau paling lama beberapa jam, efisiensinya turun hingga hampir nol. Kami sudah mampu melawannya.” “

Tren dan implikasinya di masa depan

Papangelakis mengatakan pendekatan timnya tidak mempengaruhi komposisi katalis itu sendiri, dan oleh karena itu harus diterapkan secara luas. Dengan kata lain, tim yang telah menguasai katalis berkinerja tinggi harus dapat menggunakan lapisan serupa untuk memberikan ketahanan terhadap keracunan sulfur oksida.

Meskipun oksida belerang merupakan pengotor yang paling menantang dalam aliran limbah, mereka bukanlah satu-satunya pengotor, karena tim selanjutnya akan membahas berbagai macam kontaminan kimia.

“Ada banyak pengotor lain yang perlu diperhitungkan, seperti nitrogen oksida, oksigen, dan lain-lain,” kata Papangelakis.

“Tetapi fakta bahwa pendekatan ini bekerja sangat baik dengan oksida sulfur sangatlah menjanjikan. Sebelum penelitian ini dilakukan, sudah menjadi hal yang wajar bahwa Anda harus menghilangkan kotoran sebelum meningkatkan karbon dioksida. Apa yang telah kami tunjukkan adalah bahwa mungkin ada cara yang berbeda untuk menghadapinya, yang membuka banyak kemungkinan baru.”

Referensi: “Meningkatkan Toleransi SO2 pada Elektrokatalis Reduksi CO2 Menggunakan Desain Heterojungsi Polimer/Katalis/Ionomer” oleh Panagiotis Papangelakis, Rui Kai Miao, Ruihu Lu, Hanqi Liu, Shi Wang, Adnan Ozden, Shijie Liu, dan Ning Sun , Colin B. O 'Brien, Yongfeng Hu, Mohsen Shakouri, Qinfeng Xiao, Mingsha Li, Behrouz Khater, Jian'an Eric Huang, Yakun Wang, Yu-Celin Xiao, Feng Li, Ali Shaisteh Zarate, Qiang Zhang, Pingyu Liu, Kevin Golovin, dan Jin -Yi Hao , Hongjian Liang, Xiyun Wang, Jun Li, Edward H. Sargent, dan David Sinton, 4 Juli 2024, Energi alam.
DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9