Nanotehnoloogia nüüd – Pressiteade: katalüütiline kombinatsioon muudab CO2 tahkeks süsiniku nanokiududeks: elektrokatalüütiline-termokatalüütiline tandemkonversioon võib aidata kompenseerida tugevate kasvuhoonegaaside heitkoguseid, lukustades süsiniku kasulikku materjali

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Avaleht > press > Katalüütiline kombinatsioon muudab CO2 tahketeks süsinik-nanokiududeks: Tandem elektrokatalüütiline-termokatalüütiline muundamine võib aidata kompenseerida tugevate kasvuhoonegaaside heitkoguseid, lukustades süsiniku kasulikku materjali

Teadlased on välja töötanud strateegia süsinikdioksiidi (CO2) muutmiseks atmosfäärist väärtuslikeks süsinik-nanokiududeks. Protsess kasutab tandemelektrokatalüütilisi (sinine rõngas) ja termokatalüütilisi (oranž rõngas) reaktsioone, et muuta CO2 (sinine ja hõbedane molekulid) pluss vesi (lilla ja sinine) "fikseeritud" süsinik-nanokiududeks (hõbe), tekitades vesinikgaasi (H2, lilla). ) kasuliku kõrvalsaadusena. Süsinik-nanokiude saab kasutada ehitusmaterjalide, näiteks tsemendi tugevdamiseks ja süsiniku lukustamiseks aastakümneteks.

KREDIT
(Zhenhua Xie/Brookhaveni riiklik labor ja Columbia ülikool; Erwei Huang/Brookhaveni riiklik labor)

Scientists have devised a strategy for converting carbon dioxide (CO2) from the atmosphere into valuable carbon nanofibers. The process uses tandem electrocatalytic (blue ring) and thermocatalytic (orange ring) reactions to convert the CO2 (teal and silver molecules) plus water (purple and teal) into “fixed” carbon nanofibers (silver), producing hydrogen gas (H2, purple) as a beneficial byproduct. The carbon nanofibers could be used to strengthen building materials such as cement and lock away carbon for decades.

KREDIIT
(Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory and Columbia University; Erwei Huang/Brookhaven National Laboratory)

Abstraktne:
USA energeetikaministeeriumi (DOE) Brookhaveni riikliku labori ja Columbia ülikooli teadlased on välja töötanud meetodi süsinikdioksiidi (CO2), tugeva kasvuhoonegaasi, muundamiseks süsinik-nanokiududeks, materjalideks, millel on palju unikaalseid omadusi ja palju potentsiaalseid pikaajalisi. termini kasutused. Nende strateegia kasutab tandem elektrokeemilisi ja termokeemilisi reaktsioone, mis toimuvad suhteliselt madalatel temperatuuridel ja ümbritseva õhu rõhul. Nagu teadlased ajakirjas Nature Catalysis kirjeldavad, võib see lähenemisviis edukalt sulgeda süsiniku kasulikul tahkel kujul, et kompenseerida või isegi saavutada negatiivseid süsinikuheitmeid.

Katalüütiline kombinatsioon muudab CO2 tahketeks süsinik-nanokiududeks: Tandem elektrokatalüütiline-termokatalüütiline muundamine võib aidata kompenseerida tugevate kasvuhoonegaaside heitkoguseid, lukustades süsiniku kasulikku materjali

Upton, NY | Postitatud 12. jaanuaril 2024

"Võite süsinik-nanokiud tsemendisse panna, et tugevdada tsementi," ütles uuringut juhtinud Columbia keemiatehnoloogia professor Jingguang Chen, kes osales ühiselt Brookhaven Labis. "See lukustaks süsiniku betoonis vähemalt 50 aastaks, potentsiaalselt kauemaks. Selleks ajaks peaks maailm nihkuma peamiselt taastuvatele energiaallikatele, mis ei eralda süsinikku.

Boonusena toodetakse protsessis ka vesinikgaasi (H2), mis on paljulubav alternatiivkütus, mis kasutamisel ei tekita heitkoguseid.

Süsiniku püüdmine või muundamine
Idee süsinikdioksiidi kogumiseks või selle muuks materjaliks muundamiseks, et võidelda kliimamuutustega, ei ole uus. Kuid lihtsalt CO2 gaasi ladustamine võib põhjustada lekkeid. Ja paljud CO2 muundamised toodavad süsinikul põhinevaid kemikaale või kütuseid, mida kasutatakse kohe, mis vabastab CO2 otse atmosfääri.

"Selle töö uudsus seisneb selles, et me püüame muuta CO2 millekski, mis loob lisaväärtust, kuid on kindlal kasulikul kujul," ütles Chen.

Sellistel tahketel süsinikmaterjalidel, sealhulgas süsiniknanotorudel ja nanokiududel, mille mõõtmed on meetri miljardid, on palju ahvatlevaid omadusi, sealhulgas tugevus ning soojus- ja elektrijuhtivus. Kuid pole lihtne eraldada süsinikdioksiidist süsinik ja panna see nendesse peenetesse struktuuridesse koondama. Üks otsene, kuumusega juhitav protsess nõuab temperatuuri üle 1,000 kraadi Celsiuse järgi.

"See on väga ebareaalne CO2 suuremahuliseks leevendamiseks," ütles Chen. "Seevastu leidsime protsessi, mis võib toimuda umbes 400 kraadi Celsiuse järgi, mis on palju praktilisem ja tööstuslikult saavutatav temperatuur."

Tandem kaheastmeline
Trikk oli jagada reaktsioon etappideks ja kasutada kahte erinevat tüüpi katalüsaatorit – materjale, mis hõlbustavad molekulide kokkutulekut ja reageerimist.

"Kui lahutate reaktsiooni mitmeks alamreaktsiooni etapiks, võite kaaluda erinevat tüüpi energiasisendi ja katalüsaatorite kasutamist, et reaktsiooni iga osa toimiks," ütles Brookhaven Labi ja Columbia teadur Zhenhua Xie, paberi juhtivautor.

Teadlased said alustuseks aru, et süsinikmonooksiid (CO) on süsinik-nanokiudude (CNF) valmistamiseks palju parem lähtematerjal kui CO2. Seejärel pöördusid nad tagasi, et leida kõige tõhusam viis süsinikdioksiidi tekitamiseks CO2-st.

Nende rühma varasem töö juhtis neid kasutama kaubanduslikult saadavat elektrokatalüsaatorit, mis on valmistatud süsinikule kantud pallaadiumist. Elektrokatalüsaatorid juhivad keemilisi reaktsioone elektrivoolu abil. Voolavate elektronide ja prootonite juuresolekul jagab katalüsaator nii CO2 kui ka vee (H2O) CO-ks ja H2-ks.

Teises etapis pöördusid teadlased raua-koobalti sulamist valmistatud termokatalüsaatori poole. See töötab temperatuuril umbes 400 kraadi Celsiuse järgi, mis on oluliselt leebem, kui otsene CO2-CNF-i muundamine nõuaks. Samuti avastasid nad, et vähese metallilise koobalti lisamine suurendab oluliselt süsinik-nanokiudude moodustumist.

"Elektrokatalüüsi ja termokatalüüsi ühendamisel kasutame seda tandemprotsessi, et saavutada asju, mida ei saa saavutada kummagi protsessiga üksi, " ütles Chen.

Katalüsaatori iseloomustus
Nende katalüsaatorite toimimise üksikasjade avastamiseks viisid teadlased läbi mitmesuguseid katseid. Nende hulka kuulusid arvutuslikud modelleerimisuuringud, füüsikalise ja keemilise iseloomustamise uuringud Brookhaven Labi riiklikus sünkrotronvalgusallikas II (NSLS-II), kasutades kiirröntgenikiirguse neeldumise ja hajumise (QAS) ja sisemise kesta spektroskoopia (ISS) kiirtejooni, ning mikroskoopilist kujutist. Labori funktsionaalsete nanomaterjalide keskuse (CFN) elektronmikroskoopia rajatises.

Modelleerimisel kasutasid teadlased "tiheduse funktsionaalse teooria" (DFT) arvutusi, et analüüsida katalüsaatorite aatomite paigutust ja muid omadusi aktiivse keemilise keskkonnaga suhtlemisel.

"Me uurime struktuure, et teha kindlaks, millised on reaktsioonitingimustes katalüsaatori stabiilsed faasid," selgitas neid arvutusi juhtinud uuringu kaasautor Ping Liu Brookhaveni keemiaosakonnast. "Me uurime aktiivseid saite ja seda, kuidas need saidid seostuvad reaktsiooni vaheühenditega. Määrates kindlaks barjäärid või üleminekuolekud ühest etapist teise, saame täpselt teada, kuidas katalüsaator reaktsiooni ajal toimib.

Röntgendifraktsiooni ja röntgenikiirguse neeldumise katsed NSLS-II-s jälgisid, kuidas katalüsaatorid reaktsioonide ajal füüsiliselt ja keemiliselt muutuvad. Näiteks sünkrotronröntgenikiirgus näitas, kuidas elektrivoolu olemasolu muudab katalüsaatoris oleva metallilise pallaadiumi pallaadiumhüdriidiks, metalliks, mis on esimeses reaktsioonietapis nii H2 kui ka CO tootmise võtmeks.

Teise etapi jaoks "tahtsime teada, milline on raud-koobalti süsteemi struktuur reaktsioonitingimustes ja kuidas optimeerida raud-koobalti katalüsaatorit," ütles Xie. Röntgenikatsed kinnitasid, et olemas on nii raua kui ka koobalti sulam ja veel mõned metallist koobaltid ning need on vajalikud CO muundamiseks süsinik-nanokiududeks.

"Need kaks töötavad järjestikku koos," ütles Liu, kelle DFT arvutused aitasid protsessi selgitada.

"Meie uuringu kohaselt aitavad sulamis olevad koobalt-raua saidid lõhkuda süsinikmonooksiidi C-O sidemeid. See muudab aatomi süsiniku kättesaadavaks süsiniku nanokiudude ehitamise allikaks. Siis on lisakoobalt olemas, et hõlbustada süsinikuaatomeid ühendavate C-C sidemete moodustumist, ”selgitas ta.

Taaskasutusvalmis, süsiniknegatiivne
"CFN-is läbi viidud ülekandeelektronmikroskoopia (TEM) analüüs näitas süsinik-nanokiudude morfoloogiat, kristallstruktuure ja elementide jaotusi nii katalüsaatoritega kui ka ilma," ütles CFN-i teadlane ja uuringu kaasautor Sooyeon Hwang.

Piltidel on näha, et süsinik-nanokiudude kasvades surutakse katalüsaator pinnast üles ja eemale. See muudab katalüütilise metalli ringlussevõtu lihtsaks, ütles Chen.

"Me kasutame hapet metalli leostamiseks ilma süsinik-nanokiudu hävitamata, et saaksime metallid kontsentreerida ja taaskasutada, et neid uuesti katalüsaatorina kasutada," ütles ta.

Teadlased ütlesid, et katalüsaatorite ringlussevõtu lihtsus, katalüsaatorite kaubanduslik kättesaadavus ja teise reaktsiooni suhteliselt leebed reaktsioonitingimused aitavad kaasa protsessiga seotud energia- ja muude kulude soodsale hinnangule.

"Praktiliste rakenduste jaoks on mõlemad väga olulised – CO2 jalajälje analüüs ja katalüsaatori taaskasutatavus," ütles Chen. "Meie tehnilised tulemused ja need muud analüüsid näitavad, et see tandemstrateegia avab ukse CO2 dekarboniseerimiseks väärtuslikeks tahke süsiniku toodeteks, samas tootmaks taastuvat H2."

Kui neid protsesse juhib taastuvenergia, on tulemused tõeliselt süsiniknegatiivsed, avades uusi võimalusi CO2 vähendamiseks.

Seda uuringut toetas DOE teadusbüroo (BES). DFT arvutused viidi läbi arvutusressursside abil CFN-is ja riiklikus energiauuringute teadusliku arvutuskeskuse (NERSC) DOE Lawrence Berkeley riiklikus laboris. NSLS-II, CFN ja NERSC on DOE Office of Science'i kasutajarajatised.

####

DOE/Brookhaveni riikliku labori kohta
Brookhaveni riiklikku laborit toetab USA energeetikaministeeriumi teadusamet. Teadusamet on Ameerika Ühendriikide suurim füüsikateaduste alusuuringute toetaja ja tegeleb meie aja kõige pakilisemate väljakutsetega. Lisateavet leiate aadressilt science.energy.gov.

Jälgi @BrookhavenLab sotsiaalmeedias. Leia meid Instagramist, LinkedInist, Twitterist ja Facebookist.

Lisateabe saamiseks klõpsake nuppu siin

Kontaktid:
Karen McNulty Walsh
DOE/Brookhaveni riiklik labor
Kontor: 631-344-8350

Autoriõigus © DOE/Brookhaven National Laboratory

Kui teil on kommentaar, palun Saada sõnum meile.

Sisu täpsuse eest vastutavad ainuüksi uudisteväljaannete väljaandjad, mitte 7th Wave, Inc. või Nanotechnology Now.

Järjehoidja: