اکنون نانوتکنولوژی - بیانیه مطبوعاتی: ترکیب کاتالیستی CO2 را به نانوالیاف کربن جامد تبدیل می‌کند: تبدیل پشت سر هم الکتروکاتالیستی-ترموکاتالیستی می‌تواند به جبران انتشار گازهای گلخانه‌ای قوی با قفل کردن کربن در یک ماده مفید کمک کند

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

صفحه اصلی > رسانه ها و مطبوعات > ترکیب کاتالیستی CO2 را به نانوالیاف کربن جامد تبدیل می کند: تبدیل پشت سر هم الکتروکاتالیستی-ترموکاتالیستی می تواند به جبران انتشار گازهای گلخانه ای قوی با قفل کردن کربن در یک ماده مفید کمک کند.

دانشمندان استراتژی ای برای تبدیل دی اکسید کربن (CO2) از جو به نانوالیاف کربنی با ارزش ابداع کرده اند. در این فرآیند از واکنش‌های الکتروکاتالیستی پشت سر هم (حلقه آبی) و ترموکاتالیستی (حلقه نارنجی) برای تبدیل CO2 (مولکول‌های آبی و نقره‌ای) به اضافه آب (بنفش و سبز) به نانوالیاف کربن ثابت (نقره) و تولید گاز هیدروژن (H2، بنفش) استفاده می‌شود. ) به عنوان یک محصول جانبی مفید. نانوالیاف کربنی را می توان برای تقویت مصالح ساختمانی مانند سیمان و از بین بردن کربن برای چندین دهه استفاده کرد. اعتبار (آزمایشگاه ملی ژنهوا زی/بروکهاون و دانشگاه کلمبیا؛ اروی هوانگ/آزمایشگاه ملی بروکهاون)

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.

اعتبار
(آزمایشگاه ملی ژنهوا زی/بروکهاون و دانشگاه کلمبیا؛ اروی هوانگ/آزمایشگاه ملی بروکهاون)

چکیده:
دانشمندان آزمایشگاه ملی بروکهاون وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) و دانشگاه کلمبیا راهی برای تبدیل دی اکسید کربن (CO2)، یک گاز گلخانه ای قوی، به نانوالیاف کربنی، موادی با طیف گسترده ای از خواص منحصر به فرد و بسیاری از پتانسیل های طولانی ابداع کرده اند. کاربردهای اصطلاحی استراتژی آنها از واکنش های الکتروشیمیایی و ترموشیمیایی پشت سر هم استفاده می کند که در دماهای نسبتاً پایین و فشار محیط اجرا می شوند. همانطور که دانشمندان در مجله Nature Catalysis توصیف می‌کنند، این رویکرد می‌تواند با موفقیت کربن را به شکل جامد مفیدی برای جبران یا حتی دستیابی به انتشار کربن منفی مسدود کند.

ترکیب کاتالیزوری CO2 را به نانوالیاف کربن جامد تبدیل می‌کند: تبدیل پشت سر هم الکتروکاتالیستی-ترموکاتالیستی می‌تواند به جبران انتشار گازهای گلخانه‌ای قوی با قفل کردن کربن در یک ماده مفید کمک کند.

آپتون، نیویورک | ارسال شده در 12 ژانویه 2024

جینگ گوانگ چن، پروفسور مهندسی شیمی در کلمبیا با یک قرار مشترک در آزمایشگاه بروکهاون که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: «می‌توانید برای تقویت سیمان، نانوالیاف کربنی را در سیمان قرار دهید.» این امر می‌تواند کربن را برای حداقل 50 سال، احتمالاً بیشتر، در بتن محبوس کند. تا آن زمان، جهان باید عمدتاً به سمت منابع انرژی تجدیدپذیر سوق داده شود که کربن منتشر نمی کنند.

به عنوان یک امتیاز، این فرآیند همچنین گاز هیدروژن (H2) تولید می کند، یک سوخت جایگزین امیدوارکننده که در صورت استفاده، انتشار صفر را ایجاد می کند.

جذب یا تبدیل کربن
ایده جذب CO2 یا تبدیل آن به مواد دیگر برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی جدید نیست. اما صرفاً ذخیره گاز CO2 می تواند منجر به نشت شود. و بسیاری از تبدیل‌های دی‌اکسید کربن، مواد شیمیایی یا سوخت‌های مبتنی بر کربن را تولید می‌کنند که بلافاصله مورد استفاده قرار می‌گیرند، که CO2 را مستقیماً به جو آزاد می‌کند.

چن گفت: «جدید بودن این کار این است که ما تلاش می‌کنیم دی‌اکسید کربن را به چیزی با ارزش افزوده، اما به شکل جامد و مفید تبدیل کنیم».

چنین مواد کربن جامد - از جمله نانولوله‌های کربنی و نانوالیاف با ابعادی به اندازه یک میلیاردم متر - دارای خواص جذاب بسیاری از جمله استحکام و هدایت حرارتی و الکتریکی هستند. اما استخراج کربن از دی اکسید کربن و مونتاژ آن در این ساختارهای با مقیاس ریز کار ساده ای نیست. یک فرآیند مستقیم و گرما محور به دمای بیش از 1,000 درجه سانتیگراد نیاز دارد.

چن گفت: «این برای کاهش CO2 در مقیاس بزرگ بسیار غیر واقعی است. در مقابل، ما فرآیندی را یافتیم که می‌تواند در دمای حدود 400 درجه سانتی‌گراد رخ دهد، که دمایی بسیار کاربردی‌تر و قابل دستیابی به لحاظ صنعتی است.

پشت سر هم دو مرحله ای
ترفند این بود که واکنش را به مراحل تقسیم کنیم و از دو نوع مختلف کاتالیزور استفاده کنیم - موادی که ترکیب و واکنش مولکول‌ها را آسان‌تر می‌کنند.

ژنهوا ژی، دانشمند تحقیقاتی Brookhaven Lab و کلمبیا، نویسنده اصلی مقاله، می‌گوید: «اگر واکنش را به چندین مرحله واکنش فرعی تقسیم کنید، می‌توانید از انواع مختلف انرژی ورودی و کاتالیزورها برای انجام هر بخش از واکنش استفاده کنید.

دانشمندان با درک این موضوع شروع کردند که مونوکسید کربن (CO) ماده اولیه بسیار بهتری نسبت به CO2 برای ساخت نانوالیاف کربنی (CNF) است. سپس آنها برای یافتن کارآمدترین راه برای تولید CO از CO2 عقب نشینی کردند.

کار قبلی گروه آنها آنها را به استفاده از یک الکتروکاتالیست تجاری در دسترس ساخته شده از پالادیوم بر روی کربن هدایت کرد. الکتروکاتالیست ها با استفاده از جریان الکتریکی واکنش های شیمیایی را هدایت می کنند. در حضور الکترون ها و پروتون های جاری، کاتالیزور CO2 و آب (H2O) را به CO و H2 تقسیم می کند.

برای مرحله دوم، دانشمندان به یک ترموکاتالیست گرما فعال شده از آلیاژ آهن-کبالت روی آوردند. این در دمای حدود 400 درجه سانتیگراد کار می کند که به طور قابل توجهی ملایم تر از تبدیل مستقیم CO2 به CNF است. آنها همچنین کشف کردند که افزودن کمی کبالت فلزی اضافی تشکیل نانوالیاف کربنی را تا حد زیادی افزایش می دهد.

چن گفت: «با جفت کردن الکتروکاتالیز و ترموکاتالیز، ما از این فرآیند پشت سر هم برای دستیابی به چیزهایی استفاده می‌کنیم که با هیچ یک از این فرآیندها به تنهایی امکان‌پذیر نیست.»

خصوصیات کاتالیزور
برای کشف جزئیات نحوه عملکرد این کاتالیزورها، دانشمندان طیف گسترده ای از آزمایش ها را انجام دادند. اینها شامل مطالعات مدل‌سازی محاسباتی، مطالعات خصوصیات فیزیکی و شیمیایی در منبع نور سنکروترون ملی II (NSLS-II) آزمایشگاه بروکهاون - با استفاده از پرتوهای جذب و پراکندگی سریع اشعه ایکس (QAS) و طیف‌سنجی پوسته داخلی (ISS) - و تصویربرداری میکروسکوپی بود. در مرکز میکروسکوپ الکترونی در مرکز آزمایشگاهی برای نانومواد کاربردی (CFN).

در بخش مدل‌سازی، دانشمندان از محاسبات «نظریه تابعی چگالی» (DFT) برای تجزیه و تحلیل آرایش‌های اتمی و سایر ویژگی‌های کاتالیزورها هنگام تعامل با محیط شیمیایی فعال استفاده کردند.

پینگ لیو از بخش شیمی بروکهاون که این محاسبات را هدایت می‌کرد، توضیح داد: «ما در حال بررسی ساختارها هستیم تا مشخص کنیم که فازهای پایدار کاتالیزور در شرایط واکنش کدامند. ما در حال بررسی سایت‌های فعال و نحوه پیوند این سایت‌ها با واسطه‌های واکنش هستیم. با تعیین موانع یا حالت های گذار از یک مرحله به مرحله دیگر، دقیقاً یاد می گیریم که کاتالیزور در طول واکنش چگونه کار می کند.

آزمایشات پراش اشعه ایکس و جذب اشعه ایکس در NSLS-II چگونگی تغییر فیزیکی و شیمیایی کاتالیزورها در طول واکنش ها را ردیابی کردند. به عنوان مثال، اشعه ایکس سنکروترون نشان داد که چگونه حضور جریان الکتریکی پالادیوم فلزی را در کاتالیزور به هیدرید پالادیوم تبدیل می‌کند، فلزی که کلید تولید هر دو H2 و CO در مرحله اول واکنش است.

زی گفت: برای مرحله دوم، "ما می خواستیم بدانیم ساختار سیستم آهن- کبالت در شرایط واکنش چیست و چگونه کاتالیزور آهن- کبالت را بهینه کنیم." آزمایش‌های اشعه ایکس تأیید کرد که هم آلیاژ آهن و کبالت به اضافه مقداری کبالت فلزی اضافی وجود دارد و برای تبدیل CO به نانوالیاف کربنی لازم است.

لیو، که محاسبات DFT او به توضیح این روند کمک کرد، گفت: «این دو به طور متوالی با هم کار می کنند.

طبق مطالعه ما، سایت های آهن کبالت در آلیاژ به شکستن پیوندهای C-O مونوکسید کربن کمک می کند. این امر باعث می شود تا کربن اتمی به عنوان منبعی برای ساخت نانوالیاف کربنی مورد استفاده قرار گیرد. سپس کبالت اضافی وجود دارد تا تشکیل پیوندهای C-C را که اتم‌های کربن را به هم پیوند می‌دهند تسهیل کند.

آماده بازیافت، کربن منفی
Sooyeon Hwang، دانشمند CFN و یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: «تحلیل میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) که در CFN انجام شد، مورفولوژی، ساختارهای کریستالی و توزیع عنصری در نانوالیاف کربنی با و بدون کاتالیزور را نشان داد.

تصاویر نشان می‌دهند که با رشد نانوالیاف کربنی، کاتالیزور به سمت بالا رانده شده و از سطح دور می‌شود. چن گفت که بازیافت فلز کاتالیزوری را آسان می کند.

او گفت: «ما از اسید برای شسته شدن فلز بدون از بین بردن نانوالیاف کربنی استفاده می کنیم تا بتوانیم فلزات را متمرکز کرده و آنها را بازیافت کنیم تا دوباره به عنوان کاتالیزور استفاده شوند.»

به گفته محققان، این سهولت بازیافت کاتالیزور، در دسترس بودن تجاری کاتالیزورها، و شرایط واکنش نسبتا ملایم برای واکنش دوم، همگی به ارزیابی مطلوب انرژی و سایر هزینه های مرتبط با این فرآیند کمک می کنند.

چن گفت: "برای کاربردهای عملی، هر دو واقعا مهم هستند - تجزیه و تحلیل ردپای CO2 و قابلیت بازیافت کاتالیزور." «نتایج فنی ما و این تحلیل‌های دیگر نشان می‌دهد که این استراتژی پشت سر هم دری را برای کربن زدایی CO2 به محصولات کربن جامد ارزشمند و در عین حال تولید H2 تجدیدپذیر باز می‌کند.»

اگر این فرآیندها توسط انرژی های تجدیدپذیر هدایت شوند، نتایج واقعاً کربن منفی خواهند بود و فرصت های جدیدی را برای کاهش CO2 ایجاد می کنند.

این تحقیق توسط دفتر علوم DOE (BES) پشتیبانی شده است. محاسبات DFT با استفاده از منابع محاسباتی در CFN و در مرکز محاسبات علمی تحقیقات انرژی ملی (NERSC) در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی DOE انجام شد. NSLS-II، CFN، و NERSC امکانات کاربر دفتر علوم DOE هستند.

####

درباره DOE/Brookhaven National Laboratory
آزمایشگاه ملی بروکهاون توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم تنها بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و در تلاش است تا به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما رسیدگی کند. برای اطلاعات بیشتر به سایت science.energy.gov مراجعه کنید.

BrookhavenLab@ را در رسانه های اجتماعی دنبال کنید. ما را در اینستاگرام، لینکدین، توییتر و فیسبوک بیابید.

برای اطلاعات بیشتر، لطفا کلیک کنید اینجا کلیک نمایید

تماس با ما:
کارن مک نالتی والش
DOE/آزمایشگاه ملی بروکهاون
دفتر مرکزی: 631-344-8350

حق چاپ © DOE/Brookhaven National Laboratory

اگر نظری دارید بفرمایید تماس با ما ما.

مسئولیت صحت محتوا به عهده صادرکنندگان انتشارات خبری است، نه موج هفتم، شرکت یا نانوتکنولوژی اکنون.

نشانک: