Budeme vyrábět metanol z oxidu uhličitého v atmosféře? Kredit: Gregory Heath, CSIRO.

Oxid uhličitý není špatný plyn. Je běžnou součástí pozemské atmosféry, kde se jeho obsah pohybuje kolem pár setin procenta. Všichni ho dýcháme a hlavně vydechujeme. Kyslíkatá fotosyntéza by bez oxidu uhličitého nefungovala. V perlivých nápojích mají bublinky oxidu uhličitého nepopiratelné kouzlo a v podobě suchého ledu je oxid uhličitý vyloženě zábavný. Do atmosféry ale každopádně vypouštíme ohromné množství oxidu uhličitého, který by tam jinak nebyl. Jde o zásah do planetární chemie, a zároveň je to zajímavá příležitost. Tak velké množství oxidu uhličitého, volně dostupného ve vzduchu, by nebylo špatné nějak zajímavě využít.

Peter Zhaoyu Zhou / USC.

Chemici v posledních letech zkoumají možnosti recyklace oxidu uhličitého z atmosféry a jeho přeměny na něco užitečného. Když se například oxid uhličitý nechá reagovat s plynným vodíkem (H2), tak přitom může vzniknout metanol, metan nebo kyselina mravenčí. Z těchto produktů je přitom nejzajímavější metanol (CH3OH), který má sice poněkud špatnou pověst jako jed z nekvalitního alkoholu, může se dobře uplatnit v palivových článcích, při skladování vodíku anebo jako alternativní palivo. 

Chemický průmysl v dnešní době vyrobí přes 70 milionů tun metanolu ročně. Obvykle se to dělá katalytickou hydrogenací oxidu uhelnatého ze směsi vodíku a oxidu uhelnatého, za vysokých teplot a tlaků, a za přítomnosti katalyzátorů založených na směsi mědi, oxidu zinečnatého a oxidu hlinitého. Metanol totiž slouží jako surovina pro produkci složitějších organických sloučenin. Z nich se pak vyrábějí plasty a další produkty.

George Olah (2009). Kredit: Bitman / Wikimedia Commons.

Chemik Surya Prakash a držitel Nobelovy ceny George Olah, oba dva z Univerzity Jižní Karolíny nedávno úplně poprvé dokázali, že s použitím homogenního katalyzátoru je možné polapit oxid uhličitý ze vzduchu a přímo ho přeměnit na metanol. Svůj výzkum publikovali v časopisu Journal of the American Chemical Society. Z ovzduší zmizí něco oxidu uhličitého a nám přibude něco užitečné chemikálie. Zní to jednoduše, ale jednoduché to nebylo. Jde o významný úspěch, který nás posouvá zase o něco dál, směrem k možné budoucí metanolové ekonomice. V takové ekonomice by metanol hrál ústřední roli v ukládání energie.

Krystaly ruthenia. Kredit: Periodictableru / Wikimedia Commons

Chemici neskrývají nadšení. Polapit oxid uhličitý a hned na místě ho přeměnit na metanol, to se zatím ještě nikomu nepodařilo. Klíčem k úspěchu pro ně bylo objevení vhodného homogenního katalyzátoru, který by zaručil dostatečně rychlou produkci metanolu. Problém je totiž v tom, že chemický proces přeměny oxidu uhličitého na metanol vyžaduje teplotu kolem 150 stupňů Celsia, která ničí katalyzátory. Prakash s Olahem to udělali tak, že vyvinuli stabilní katalyzátor, založený na kovovém prvku rutheniu (Ru). Ruthenium zvládá vysoké teploty a výsledný katalyzátor je díky němu stabilní, takže ho lze využít k nepřetržité produkci metanolu. 

Podle Prakashe byl vývoj homogenního katalyzátoru pro přeměnu oxidu uhličitého na metanol velmi náročný. Většina katalyzátorů prý končí ve fázi kyseliny mravenčí. Prakashovi, Olahovi a jejich kolegům se s tímto novým rutheniovým katalyzátorem a ještě několika dalšími sloučeninami povedlo přeměnit téměř 80 procent oxidu uhličitého polapeného z ovzduší na metanol. Vyrobený metanol je sice smíchaný s vodou, to lze ale jednoduše vyřešit destilací. Badatelé teď intenzivně pracují na snížení pracovní teploty rutheniového katalyzátoru na 100 až 120 stupňů Celsia, a také by rádi vylepšili jeho účinnost.
Podle docenta Karla Ciahotného, vedoucího Ústavu plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší VŠCHT v Praze, je vlastně hodně možností, jak využit oxid uhličitý pro výrobu různých organických látek. Kromě metanolu či plastů je také možné vyrábět třeba náhradní zemní plyn, což Ciahotný s kolegy zkoumají v rámci jednoho projektu TAČR v Ústavu plynárenství. Mnohé tyto postupy jsou podle Ciahotného poměrně dobře technicky zvládnuty, jejich tým dosahuje účinnosti přeměny oxidu uhličitého na metanol přes 90 procent. Průmyslové realizace takových postupů ale závisejí na ekonomických podmínkách zajištění dalších surovin, obvykle vodíku. Ciahotný a spol. si vyrábějí vodík elektrolýzou z vody pomocí elektřiny vyrobené obnovitelnými zdroji v době, kdy se nedá zavést do distribučních sítí. Pak je vše ekonomicky průchozí. S elektřinou za normální cenu by to za stávajících okolností ekonomicky nefungovalo.


Video:  Could the "methanol economy" power the post-fossil fuel era?

Literatura
Physorg 27. 1. 2016, Journal of the American Chemical Society 138: 778–781, Wikipedia (Methanol).