FTIR Talk Letter (vol. 42)

Význam tématu

Rostoucí tlak na snižování emisí CO₂ a dosažení uhlíkové neutrality vyžaduje inovativní technologie pro zachycování a využití oxidu uhličitého (CCR). Tradiční adsorpční cykly s teplotním nebo tlakovo-teplotním spínáním jsou energeticky náročné a nevhodné pro nízkokoncentrované směsi. Vývoj dualně funkčních materiálů (DFM), které spojují zachycování CO₂ a jeho selektivní hydrogenaci za izotermních podmínek, představuje perspektivní řešení s nižší energetickou náročností a možností využití odpadních plynů přímo na místě.

Cíle a přehled studie

Cílem této studie bylo navrhnout a charakterizovat dualně funkční katalyzátor na bázi Pt-Na/Al₂O₃, který by při jediné izotermní operaci (350 °C) umožňoval zachytit CO₂ z CO₂/O₂/N₂ směsi a selektivně ho přeměnit na CO. Studie zahrnovala syntézu řady Pt–M/Al₂O₃ (M = Na, K, Mg, Ca), testy zachycování a hydrogenace CO₂ s kvantitativní FTIR analýzou a mechanistické objasnění vysoké selektivity pomocí in situ FTIR spektroskopie a mikroskopických metod.

Použitá instrumentace

• FTIR spektrometrie (FTIR průtoková bunka, 2395–2235, 2250–2001, 3031–2994 cm⁻¹)
• In situ FTIR spektroskopie pro sledování CO₂ adsorpce a povrchových meziproduktů
• STEM (scanning transmission electron microscopy) s EDX mapováním
• Lineární analýza rozložení prvků (line scan) na částicích Pt-Na

Použitá metodika

Pt/Al₂O₃ a Pt–M/Al₂O₃ katalyzátory byly připraveny krokovou impregnací. Po aktivaci vedle sebe běžely dva izotermní kroky (350 °C): zachycování CO₂ z 1 % CO₂/10 % O₂/N₂ a následná redukce 5 % H₂/N₂. Produkty (CO₂, CO, CH₄) byly kvantifikovány FTIR analýzou tranzmitance.

Hlavní výsledky a diskuse

Pt-Na/Al₂O₃ vynikl nejvyšší kapacitou zachycování CO₂ i selektivitou CO (93 %) oproti Pt/Al₂O₃ (11 %). Plynové profily odhalily prodlouženou fázi CO₂ adsorpce i CO tvorby (>500 s). STEM/EDX potvrdil vznik jádro–slupka Pt NPs oddělaných Na, inhibujících adsorpci CO. In situ FTIR ukázala, že Na-modifikovaný povrch aktivně zachycuje CO₂ ve formě CO₃²⁻, které se plynule redukují na CO, zatímco převazba CO na CH₄ je efektivně potlačena.

Přínosy a praktické využití metody

Navržený Pt-Na/Al₂O₃ DFM umožňuje izotermní CCR v jediné reaktorové fázi, s vysokou selektivitou CO za mírných podmínek. Systém je aplikovatelný pro průmyslové spaliny či plyny s nízkou koncentrací CO₂ a nabízí energetickou úsporu díky eliminaci teplotního spínání.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další výzkum směřuje k náhradě drahých Pt nekovými kovy, kombinaci přímého zachycování CO₂ ze vzduchu a CCR, optimalizaci provozních cyklů a integraci online FTIR monitoringu pro průběžnou kontrolu a zpětnou vazbu.

Závěr

Studie ukázala, že Na-modifikace Pt/Al₂O₃ vytváří efektivní DFM pro selektivní výrobu CO z CO₂. Klíčové je jádro–slupková struktura Pt-Na NPs a schopnost potlačit nadbytečné hydrogenační reakce. Tento přístup otevírá cestu pro úsporné a flexibilní řešení CCR v průmyslové praxi.

Reference

• M. S. Duyar, M. A. A. Treviño, R. J. Farrauto, Appl. Catal. B Environ. 2015, 168–169, 370.
• L. F. Bobadilla, J. M. Riesco-García, G. Penelás-Pérez, A. Urakawa, J. CO₂ Util. 2016, 14, 106.
• L. Li, S. Miyazaki, S. Yasumura, K. W. Ting, T. Toyao, Z. Maeno, K. Shimizu, ACS Catal. 2022, 12, 2639.