Aktif katalizör ile karbondioksitten metana verimli dönüşüm

Karbondioksit (CO₂), Dünya’da en çok bulunan kirletici olmakla beraber iklim değişikliğinin temel etkenlerindendir. CO₂ emisyonunun 2022 yılında ulaştığı değer yaklaşık 40 milyar tondur. 2050 yılına kadar hedeflenen amaç net sıfır CO₂ emisyonudur. Bu iddialı hedef, karbon yakalama ve depolama (CCS) teknolojilerinin gelişmesi için çok yönlü bir yaklaşımı gerektirmektedir.¹

Enerji santralleri, sanayi tesisleri, derin kömür yatakları, tuz mağaraları CO₂’nin atmosfere salınmadan yakalanıp depolanmanın sağlandığı yerlerdir. CO₂’nin indirgenme reaksiyonuna uğrayarak yakalanması ve yakıt üretimine entegre edilmesi karbon kullanım teknolojilerine olgunlaştırma sağlayan çalışmalardır.

Atmosfere salınan CO₂ miktarını dengede tutmayı ve azaltmayı amaçlayan karbon “nötr” hedefi için bu alanda daha fazla araştırma ve teknolojik ilerlemeye ihtiyaç duyulmaktadır.²

Karbon dönüştürme işlemlerindeki engellerden bir tanesi katalizör kararlılığıdır. Katalizörler, CO₂’nin yakıt ve sürdürülebilir malzemeler gibi ürünlere dönüştürülmesini sağlamaktadır. Bakır bazlı malzemeler CO₂’yi metana (CH₄) dönüştürmek için en verimli katalizörlerdir. Bakır katalizörler elektrokimyasal reaksiyon sırasında önemli bir değişime uğrar ve sistemin uzun süre çalışır durumda kalmasında zorluk çıkarmaktadır. Bunun için sisteme; doğrudan bakır katalizörü değil, bir katalizör öncüsü aktif bir katalizör haline gelmek için aktivasyon gerektiren bir madde eklenmektedir. Dinamik olarak, dışarıdan müdahale oluşturmak için elektrik sinyalleri kullanılmaktadır. Elektrik sinyalleri kapatıldığında katalizör özgül formuna geri dönmektedir.³

Katalizör öncüllerini stabilize ederek, katalizörlerin oluşumunu ve uzaklaşmasını kontrol ederek 0,2 A cm^-2 üzerindeki indirgenme akımı yoğunluğunda ve 4 V’nin altındaki tam hücre voltajında %60’ın üzerinde bir Faradayik verimlilikle 500 saatten fazla bir CO₂’den metana dönüşüm görülür. Bahsedilen katalizör öncüsü ile aktif katalizör arasındaki bu dinamik döngüsel geçiş ve sistemin çalışma mekanizması Şekil 1’de gösterilmiştir.⁴

Verimliliğin sağlandığı başka bir CO₂ indirgeme yöntemi ise elektrokatalitik teknolojilerdir. Bu teknolojinin başarılı bir şekilde yaygınlaştırılması için uygun maliyetli büyük ölçekli CO₂RR (karbondioksit indirgeme reaksiyonu) sistemlerinin geliştirilmesi önemlidir. CO₂RR’nin ürünleri arasında yer alan metan, 55,5 MJ/kg’lık yüksek enerji yoğunluğu nedeniyle yüksek değerli bir enerji ticaret malı olarak kabul edilmektedir. CO₂’nin elektrokimyasal indirgenmesi ile üretilen metan atmosfere salınmadığı için sera etkisine katkıda bulunmaz; gaz boru hatları için kurulmuş altyapı, metanın depolanması, dağıtımı ve tüketimini sağlayarak doğal gazın yaygın olarak kullanılmasını sağlayan bir yapı haline getirmiş olur. Böylelikle yüksek enerjili yoğunluğa sahip, yüksek değerli bir ürün olarak kabul edilen metan, insanlığın enerji ihtiyacını kısmen karşılayacak değerli yakıtlar oluşturarak sera etkisini azaltmanın umut vadeden yolu olmuştur.¹

KAYNAKLAR

1. Wu, Y., Du, H., Li, P., Zhang, X., Yin, Y., & Zhu, W. (2023). Heterogeneous electrocatalysis of carbon dioxide to methane. Methane, 2(2), 148-175.
2. Garcia, J. A., Villen-Guzman, M., Rodriguez-Maroto, J. M., & Paz-Garcia, J. M. (2024). Comparing CO2 storage and utilization: enhancing sustainability through renewable energy integration. Sustainability, 16(15), 6639.
3. Belsa, B., Xia, L., Golovanova, V., Polesso, B., Pinilla-Sanchez, A., San Martin, L., … & García de Arquer, F. P. (2024). Materials challenges on the path to gigatonne CO2 electrolysis. Nature Reviews Materials, 9(8), 535-549.
4. Gao, G., Khiarak, B. N., Liu, H., Trần-Phú, T., Obasanjo, C. A., Crane, J., … & Dinh, C. T. (2025). Recoverable operation strategy for selective and stable electrochemical carbon dioxide reduction to methane. Nature Energy, 1-11.