Megújuló energiahordozók előállítása redukált dimenziójú modellkatalizátorokon
Korunk egyik legfontosabb környezetvédelmi kihívása az antropogén szén-dioxid kibocsátás mérséklése. Ehhez a törekvéshez többek között „klímasemleges” energiahordozók, például megújuló energiaforrásokból termikus és elektrokatalitikus módszerekkel előállított hidrogén és alkánszármazékok használatával járulhatunk hozzá. Ez egyfelől „zöld” hidrogén előállítását, másfelől a már felszabadult szén-dioxid átalakítását jelenti termikus, elektro- és/vagy fotokatalitikus módszerekkel. A termikus és elektrokatalízis jelenleg azonban két jól elkülönült tudományterület, korlátozott átfedéssel az azokat megalapozó elméleti/mechanisztikus leírásokban. Ezért a felületkémiai és heterogén katalitikus eredményeinkkel a katalízis tudományterületének alapjaihoz is hozzá kívánunk járulni; nevezetesen a termikus és elektrokatalízis egységes keretrendszerben történő kezeléséhez. Ehhez a merőben eltérő reakciókörülmények között végbemenő, látszólag különböző hajtóerők által vezetett katalitikus kémiai reakciók között kell kapcsolatot teremteni.
Kutatócsoportunk a felületkémiai és heterogén katalitikus vizsgálatait a két, látszólag különálló, domén egységesítése céljából olyan rendszeren végzi, mely mindkét reakciókörnyezetben aktivitást mutat. A kutatócsoport több évtizedes tapasztalatára támaszkodva ehhez a bór-nitrogén-szén (B-N-C) terner rendszert választottuk, melynek egyes képviselői a termikus és elektrokatalízisben is ismert katalizátorok és katalizátorhordozók. Tesztreakcióként a „zöld” energiahordozók előállításában várhatóan igen fontos szerepet betöltő CO2 hidrogénezést, elektrokémiai vízbontást (HER, OER) és elektrokémiai nitrátredukciót (NO3RR) választottuk. Utóbbi fő terméke az ammónia, amely a modern vegyipar egyik legfontosabb alapanyaga, és az előállításához használt Haber-Bosch szintézis egymaga felel az éves globális energiafogyasztás 1-2%-ért. Továbbá, az ammónia ígéretes energiavektor, a kémiai kötéseiben hidrogén tárolható.
A CO2-átalakításban, valamint a H2– és NH3-előállításban aktív rendszerek felületkémiai és termikus katalitikus tulajdonságainak részletes felderítését és leírását egy olyan, Magyarországon egyedülálló kutatócsoportban végezzük, ahol a katalitikusan aktív felületek atomi léptékű szerkezetének és morfológiájának (STM, SEM, TEM, XRD) meghatározása mellett azok kémiai és elemanalízise is megvalósítható (XPS, AES, LEIS). Ez egészül ki a felületi adszorbátumok és a hordozók vibrációs spektroszkópiai (Kelvin-szonda, FTIRS, DRIFTS, HREELS, Raman) jellemzésével, valamint a termikus katalízis gázfázisú reakciótermékeinek analitikájával (MS, TDS, GC). A kísérleti eredményeket elméleti számításokkal támasztjuk alá a felületi folyamatok mechanizmusának mélyebb megértése érdekében.
A távlati cél olyan katalizátorok megalkotása, melyek a jövő ígéretes energiahordozóinak előállítását jelentős szelektivitással katalizálják a vizsgált reakciókban. A Szegedi Tudományegyetemmel fennálló szoros kapcsolatot tovább ápolva az eredményeket az egyetemi tananyagokba integráljuk. Figyelembe véve a téma iránti nagy társadalmi érdeklődést, a fontosabb felfedezéseket közérthető formában a szélesebb nyilvánosság felé is kommunikáljuk.
