Vodja projekta: izr. prof. Blaž Likozar

Vsak dan se v ozračje izpustijo ogromne količine toplogrednih plinov (GHG), kar posledično povzroča globalno segrevanje. Od vseh, ogljikov dioksid (CO₂) prispeva največji delež (72 %) emisij toplogrednih plinov, predvsem zaradi uporabe velikih količin fosilnih virov, njegove emisije pa še naraščajo. Zato sta zajemanje in izkoriščanje ogljika (CCU) in/ali zajemanje in shranjevanje ogljika (CCS) ključnega pomena pri zmanjševanju emisij CO₂. Od obeh možnosti, je CCU bolj privlačna in bolj obetavna pot.

CO₂ se lahko pretvori v množico potencialnih kemikalij z dodano vrednostjo, izmed vseh pa je etanol odlična izbira. Čisti etanol ima izjemno uporabnost, kot na primer čisto gorivo, motorno gorivo, aditiv za gorivo, surovina v proizvodnji industriji, topilo, nizkotemperaturna tekočina itd. Proizvodnja etanola s fermentacijo se v mnogih pogledih šteje za neetično, saj je za surovine potrebna obdelovalna površina, ki bi lahko služila proizvodnji hrane. Trajnostno pa lahko dosežemo pretvorbo CO₂ v etanol z neposrednim hidrogeniranjem z uporabo zelenega vodika. V tem projektu želimo podnebne spremembe ublažiti v dveh korakih, a) zajemanju in izkoriščanju CO₂ ter b) zmanjšanju energetskih potreb pri njegovem čiščenju.

Da bi to dosegli, je treba odpraviti nekatere težave, na primer aktivacijo CO₂ in spajanje C-C, ki vodijo v nizke donose in nezadovoljivo selektivnost. Objavljenih je bilo več študij, ki so te težave v različnem obsegu premagale. Vendar pa obstoječe pomanjkljivosti drastično zmanjšajo uporabnost neposredne hidrogenacije CO₂ in nas spodbujajo k raziskovanju novih strategij za takšno sintezo etanola.

V predlaganem projektu se bomo lotili opisanih vprašanj z večstranskim pristopom. Raziskali bomo proizvodnjo etanola s pomočjo a) treh različnih katalitskih procesov, b) etanol bomo očistili (razvoj pilotnega procesa) z uporabo najsodobnejših postopkov ekstrakcije, in c) matematično opisali vse postopke točke a in b.

Do tega cilja bomo prišli s tarčno usmerjenim pristopom. Sintetizirali in v celoti bomo okarakterizirali katalizatorje za vse tri katalitične procese. Za a) termokatalitski (katalizatorji na osnovi z bakrom modificiranega zeolita), b) elektrokatalitski (poli-metalni nano-katalizatorji, podprti na različnih materialih) in c) radiolitični pristop (katalizatorji na osnovi bakra). Proizvedeni etanol bomo d) prečistili z ekstrakcijo z večstopenjskim protitočnim superkritičnim ogljikovim dioksidom. Na koncu bomo e) opisali vse pristope s simulacijami prvih principov, kinetičnim opisom in mezoskopskimi simulacijami prepustnosti membrane. Slednje bodo omogočile povratno zanko, kjer bodo rezultati modeliranja implementirani v naslednjem krogu eksperimentov.

Pričakujemo, da bomo 1) identificirali najbolj učinkovit katalizator (termo- in elektrokataliza ter radioliza), podprt na različnih materialih, in 2) določili, kako specifične lastnosti materiala vplivajo na katalitično reakcijo. Poleg tega pričakujemo, da bomo 3) pridobili poglobljeno razumevanje, kako procesni parametri spreminjajo selektivnost in aktivnost katalizatorja ter stabilnost. Poleg tega verjamemo, da lahko zmanjšamo 4) potrebo po energiji pri čiščenju etanola. In končno, z matematičnim modeliranjem predvidevamo, da bomo 5) sestavili več-nivojski model, ki bo opisal (napovedal) aktivnost/selektivnost katalizatorja in učinkovitost ekstrakcije.

Navsezadnje bodo rezultati predlaganega projekta še dodatno pripomogli k temeljnemu razumevanju več katalitičnih in čistilnih procesov. To znanje ni omejeno na proizvodnjo/čiščenje etanola in ga lahko uporabijo raziskovalci na drugih področjih. Konzorcij sestavljajo izjemni raziskovalci, strokovnjaki na relevantnih področjih, zato pri projektu pričakujemo rezultate izjemne kakovosti.

Časovno obdobje: 1. 10. 2022 - 30. 9. 2025

V projektni skupini sodelujejo:

Prof. Blaž Likozar (Kemijski Inštitut)  https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/18823

Dr. Nejc Hodnik  (Kemijski Inštitut) https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/33135

Dr. Luka Snoj (Inštitut Jožef Stefan) https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/20525

Prof. Željko Knez (Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo) https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/4576

Prof. Urban Bren (Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo)  https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/18811

Prof. Urška Lavrenčič Štangar (Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo) https://cris.cobiss.net/ecris/si/en/researcher/7521

Aleksandra Zamljen, Žan Lavrič, Anže Prašnikar, Janvit Teržan, Miha Grilc, Anton Meden, Blaž Likozar, Understanding Platinum-Based H2 Adsorption/ Desorption Kinetics During Catalytic Hydrogenation or Hydrogen Storage-Related Reactions,  2024, Renewable Energy, https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=4672407

Žan Kovačič, Blaž Likozar, Matej Huš, Ab initio modelling of photocatalytic CO2 reduction reactions over Cu/TiO2 semiconductors including the electronic excitation effects, Chemical Engineering Journal, Volume 485, 1 April 2024, 149894 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724013792