Rézzel is tisztítható a levegő

Egy véletlen felfedezésnek köszönhetően kémikusok olyan katalizátorba botlottak, ami képes az oxigént érintetlenül hagyva kizárólag a szén-dioxidot kivonni a levegőből, majd egy hasznos anyaggá alakítani azt.

A rézalapú vegyület nagyon messze van a gyakorlati alkalmazástól, azonban a benne rejlő innovatív kémia némi reményt ad arra, hogy egy nap egy katalizátorral szelektíven és hatékonyan távolítsuk el az üvegház gázokat a légkörből, szerves vegyületekké alakítva azokat.

A legtöbb olyan katalizátor, aminek a szerkezete egy fémes középpont, például egy réz atom köré épül, képes megkötni a szén-dioxidot egy gázfolyamban. Ha azonban levegőről van szó, akkor jobban szeretnek a bőségesen előforduló, jóval reakcióképesebb oxigénnel párt alkotni, ezért is teljesen váratlan az új vegyület ellentétes irányú szelektivitása, magyarázta Elisabeth Bouwman, a hollandiai Leideni Egyetem kutatója, aki kollégáival felfedezte a katalizátort. Eredményeikről a Science magazinban számoltak be.

Bouwman csapata a biológiai enzimek tevékenységét utánzó vegyületeket vizsgálta. Bouwman egy nikkelalapú vegyületet vizsgált, amit az összehasonlítás kedvéért megpróbált rézzel körülvenni. Ez a szerkezet egy sárgás oldatot eredményezett, ami később kékeszölddé változott, miután néhány napot eltöltött a szabad levegőn. A kékeszöld folyadék elemzése egy oxalát nevű szegmens megjelenését mutatta ki, ami két szén-dioxid-molekulából áll, hidat alkotva két rézatom között. Ez a részlet csak akkor alakulhat ki, ha nem oxigén, hanem szén-dioxid oxidálódik a réz összetevők körül. Bouwman maga sem tudja, miért részesíti előnyben a réz a szén-dioxidot az oxigénnel szemben, az azonban egyértelmű, hogy a molekuláris szerkezetben létrejött oxaláthíd rendkívül stabil.

Ezzel azonban még nem ér véget a történet, némi elektromos energia hozzáadásával ugyanis a kékeszöld elegy is úgy viselkedik, mint egy katalizátor. A komplex rézvegyület újrahasznosítható, és visszaállítható alacsony oxidációs állapota, az oxalát kivonható a molekulából. Bouwman egy elektrokémiai cellában, lítiumionok hozzáadásával távolította el az oxalátot a réz öleléséből. A hátramaradt eredeti réz komplex egy elektródának köszönhetően visszatért eredeti állapotába. Az elektróda pótolta azokat az elektronokat, amit a réz az oxalát eltávolításával elvesztett.

A cellának mindössze 0,03 volt feszültségre van szüksége a folyamathoz, ami jóval kevesebb mint az a 2 volt, amivel jelenleg hasznos vegyületekké lehet bontani a szén-dioxidot. A katalizátortól elválasztva az oxalátsó számos gyakorlati alkalmazással rendelkező vegyület alapjaként szolgálhat. Ilyen az oxálsav, amit előszeretettel használnak a laboratóriumokban és a háztartási termékeknél, különösen a rozsdamentes bevonatoknál, de alkalmazható a fagyállóként funkcionáló etilén-glikol előállításához és a kémiai szintézis egyik alkotóelemeként is.

A rendszer azonban még a legnagyobb jóindulattal sem nevezhető gyakorlati megoldásnak a levegő megtisztítására. "A vegyület hatékonysága nem elég jó" - foglalta össze tömören a problémát Bouwman. Eddig csapatával mindössze hatszor sikerült átforgatnia a rendszerét hét óra leforgása alatt, ez az arány pedig csak a tiszta szén-dioxiddal történt érintkezésre értendő laboratóriumi körülmények között. Egy hatékony katalizátornak egy óra leforgása alatt több tízezer ciklust kellene teljesítenie.

Ezzel szemben a nagy méretű szén-dioxidot eltávolító rendszerek - ha valaha is megvalósulnak a gyakorlatban - sokkal inkább a fizikai gázszeparációs membránokon fognak alapulni, melyek szelektíven szívják be a gázokat. Vagy ha maradunk a kémiai útnál, akkor a nátrium-hidroxid tisztítóberendezéseken, melyeknek a regenerálódáshoz nagy mennyiségű energiára van szükségük. Mindkét rendszer egyszerűen csak koncentrálja a szén-dioxidot ahelyett, hogy hasznos vegyületté alakítaná, mint Bouwman elektrokatalizátoros koncepciója.

Bouwan visszatért enzim tanulmányaihoz, azonban mellettük folytatja véletlen felfedezésének vizsgálatát is, melyből azt szeretné megtudni, vajon a rézmolekulák mellékcsoportjainak megváltoztatásával javíthatja-e a katalizátor hatékonyságát.