Az Advanced Materials Journal október 6-ai számában közölt eljárás során folyékony galliumot használnak a szén-dioxid oxigénné és nagy értékű szilárd széntermékké történő átalakítására, amelyet akkumulátorok, repülőgépek vagy építőanyagok gyártóinak értékesíthetnek.

„Nagyon jelentős ipari fejlődést tapasztalhatunk a szén-dioxid-mentesítés terén. Ez a technológia példátlan eljárást kínál a szén-dioxid leválasztására és átalakítására, kivételesen versenyképes áron" - nyilatkozta Junma Tang, a kutatás első szerzője.

És még egy kritikus elem

A gallium egyike annak a három tucat ásványnak, melyeket az Egyesült Államok a közelmúltban a nemzetbiztonság szempontjából kritikus fontosságúnak ítélt, mivel nagymértékben függ Kínától - amely jelenleg a világ galliumtermelésének 97 százalékát adja az Egyesült Államok Geológiai Szolgálata szerint.

A félvezető fémet távközlésben, megújuló energiában, csúcstechnológiában és katonai alkalmazásokban használják.

A gallium a természetben nem szabad elemként, hanem nyomokban, galliumvegyületekben fordul elő más fémek, például a szfalerit (cink) és a bauxit (alumínium) érceiben.

A gallium szilárd formájában ezüstöskék, és amikor körülbelül 30 Celsius-fokon (85,5 Fahrenheit-fok) megolvad ezüstös-fehérnek tűnik. Normál emberi testhőmérsékleten megolvad az ember kezében.1875-ös franciaországi felfedezése óta széles körben használják alacsony olvadáspontú ötvözetek előállítására.

A galliumfém és gallium-arzenid importja továbbra is az Egyesült Államok teljes galliumfogyasztását fedezi. Az USGS szerint 2020-ban a galliumimport becslések szerint 20%-kal csökkent a 2019-es szinthez képest, a Kínából származó galliumra 2019-ben bevezetett magasabb importvámok miatt. Ez a Kínából származó galliumfém-import 300%-os növekedését követte 2018-ban a vámok hatályba lépése előtt. 2019-ben a Kínából származó galliumfém importja 97%-kal csökkent 2018-hoz képest.

Az Egyesült Államokban 1987 óta nem állítottak elő elsődleges (alacsony tisztaságú, finomítatlan) galliumot. A bányászok azonban világszerte a bauxit- és cinkércek feldolgozásának melléktermékeként nyerik vissza az elsődleges galliumot.

Az USGS arról is beszámolt, hogy az elsődleges alacsony tisztaságú (99,99%-os tisztaságú) gallium ára Kínában a becslések szerint 32%-kal nőtt 2020-ban, elsősorban a csökkent termelés miatt. Az elsődleges alacsony tisztaságú gallium ára Kínában 2020 szeptemberében kilogrammonként 185 dollárra emelkedett a 2019 év végi körülbelül 140 dollár/kg-ról. Kína elsődleges alacsony tisztaságú galliumtermelő kapacitása 2016 óta átlagosan évi 600 000 kg, egy bővítést követően. 140 000 kg/évről 2010-ben. A világ alacsony tisztaságú galliumkapacitásának több mint 80%-át Kína adta.

„A fennmaradó, Kínán kívüli, alacsony tisztaságú galliumtermelők korlátozták a kibocsátást a 2012-ben kezdődött nagy mennyiségű elsődleges gallium többlet okán"– közölte az USGS. E gyártók közé tartozott Japán, a Koreai Köztársaság és Oroszország. Németország és Kazahsztán 2016-ban, illetve 2013-ban szüntette meg az elsődleges termelést. Emellett a felmérés szerint Magyarország és Ukrajna az elmúlt években leállította az elsődleges termelést.

Nemzetközi fejlődés

Egy 24 tagú tudóscsoport, Kourosh Kalantar-Zadeh professzor vezetésével, az Új-Dél-Wales-i Egyetem Vegyészmérnöki Karán, valamint a Kaliforniai Egyetem (Los Angeles), az Észak-Karolinai Állami Egyetem, a Royal Melbourne Institute of Technology kutatói, a Melbourne-i Egyetem, a Queenslandi Műszaki Egyetem és az Ausztrál Synchrotron a gallium potenciálisan döntő új szerepét fedezték fel.

Ez az UNSW által vezetett tudóscsoport bemutatta, hogyan lehet az alacsony olvadáspontú fémet hatékonyan felhasználni a szén-dioxid alkotórészekre történő lebontására egy olyan eljárással, amely a befogott szén-dioxid gázt a gallium nanorészecskéi körüli oldószerben oldja.

Az ehhez a folyamathoz használt reaktor nanoméretű szilárd ezüstrudakat is tartalmaz, amelyek kulcsfontosságúak a mechanikai energia, például keverés vagy keverés során végbemenő tribo-elektrokémiai reakciók létrehozásában.

A szilárd-folyadék fázishatárokon tribo-elektrokémiai reakció megy végbe a két felület közötti súrlódás miatt, és elektromos tér is keletkezik, amely kémiai reakciót vált ki. A reakció során a szén-dioxid oxigéngázra és széntartalmú lapokra bomlik, amelyek a sűrűségkülönbségek miatt az oldat felszínére úsznak. A kutatók szerint a szénrétegek ezután könnyen eltávolíthatók az oldatból.

„A folyékony gallium interfész apoláris jellege lehetővé teszi a szilárd termékek azonnali bomlását, ezáltal az aktív helyek elérhetők maradnak. Az ezüst-gallium rudak reakciója ciklikus, fenntartható folyamatot biztosít" - írta Tang. Az UNSW kutatói szerint a technológia számos módon képes jelentősen csökkenteni az üvegházhatású gázok szintjét a légkörben.

Szerintük az eljárással az autók és teherautók belsőégésű motorjaiból származó szennyező kipufogógázok alakíthatók át, és sokkal nagyobb léptékben azonnal megkötik és átalakítják az ipari telephelyek szén-dioxid-kibocsátását. „Már 2,5 literesre méreteztük ezt a rendszert, amely percenként körülbelül 0,1 liter szén-dioxidot tud kezelni. Ezt a mennyiséget egy teljes hónapig folyamatosan üzemelve teszteltük, és a rendszer hatékonysága nem romlott" – mondta Tang az újságíróknak.

A tanulmányban a kutatók 92 százalékos hatékonyságot érnek el egy metrikus tonna szén-dioxid átalakításakor, óránként 230 kilowatt energia felhasználásával. Becsléseik szerint ez körülbelül 100 dollár költségnek felel meg egy tonna szén-dioxidra.

Kereskedelmi felhasználás

A folyamat kereskedelmi forgalomba hozatala érdekében egy LM Plus nevű startup céget hoztak létre az UNSW Knowledge Exchange és az Uniseed magvető befektetésének támogatásával. A kutatók szerint a Tudáscsere egy olyan program, amely az egyetem kutatási felfedezéseit a társadalom javát szolgáló sikeres innovációkká alakítja.

Az UNSW egy licencszerződés részeként az új cég részvényese is lett.

A technológia egy "rendkívül zöld" eljárás, és egy nagy értékű széntartalmú lemezt is előállít, amely felhasználható elektródák készítésére akkumulátorokban vagy szénszálas anyagokban olyan nagy teljesítményű termékekben, mint a repülőgépek, versenyautók és luxusjárművek - az LM Plus igazgatója és a Uniseed befektetési menedzsere, Paul Butler szerint

„Most azon dolgozunk, hogy pénzt gyűjtsünk egy nagyobb méretű, prototípus megalkotásához, hogy ez a rendszer egy 40 méteres konténerben is működjön – amely körülbelül akkora, mint egy kamion pótkocsija. Egy ilyen méretű rendszer végső soron segíthetné az ipari telephelyeket a szén-dioxid azonnali megkötésében és átalakításában" - mondta Butler.

„Az LM Plus azt reméli, hogy 15 hónapon belül fel tudja építeni a nagyobb rendszert, és már tárgyal a potenciális kereskedelmi partnerekkel az új technológia megvalósításának egyéb módjairól" – tette hozzá a szakember.