Nanoteknologia nyt - Lehdistötiedote: Katalyyttinen yhdistelmä muuntaa CO2:n kiinteäksi hiilinanokuiduksi: Tandem-elektrokatalyyttinen-termokatalyyttinen muunnos voi auttaa tasoittamaan voimakkaiden kasvihuonekaasujen päästöjä lukitsemalla hiilen käyttökelpoiseen materiaaliin

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Koti > lehdistö > Katalyyttinen yhdistelmä muuntaa CO2:n kiinteiksi hiilinanokuiduiksi: Tandem-elektrokatalyyttinen-termokatalyyttinen konversio voi auttaa tasoittamaan voimakkaita kasvihuonekaasupäästöjä lukitsemalla hiilen hyödylliseen materiaaliin

Tutkijat ovat kehittäneet strategian hiilidioksidin (CO2) muuntamiseksi ilmakehästä arvokkaiksi hiilinanokuiduiksi. Prosessi käyttää tandem-elektrokatalyyttisiä (sininen rengas) ja termokatalyyttisiä (oranssi rengas) reaktioita CO2:n (sini- ja hopeamolekyylit) sekä veden (violetti ja vihreä) muuntamiseksi "kiinteiksi" hiilinanokuiduiksi (hopea), jolloin syntyy vetykaasua (H2, violetti). ) hyödyllisenä sivutuotteena. Hiilen nanokuituja voitaisiin käyttää vahvistamaan rakennusmateriaaleja, kuten sementtiä, ja lukitsemaan hiiltä vuosikymmeniksi. LUOTTO (Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory ja Columbia University; Erwei Huang/Brookhaven National Laboratory)

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.

LUOTTO
(Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory ja Columbia University; Erwei Huang/Brookhaven National Laboratory)

Tiivistelmä:
Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) Brookhaven National Laboratoryn ja Columbia Universityn tutkijat ovat kehittäneet tavan muuttaa hiilidioksidi (CO2), voimakas kasvihuonekaasu, hiilinanokuiduiksi, materiaaleiksi, joilla on laaja valikoima ainutlaatuisia ominaisuuksia ja monia mahdollisia pitkäkestoisia termien käyttötarkoituksia. Heidän strategiassaan käytetään tandem sähkökemiallisia ja termokemiallisia reaktioita, jotka suoritetaan suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa ja ympäristön paineessa. Kuten tutkijat kuvailevat Nature Catalysis -lehdessä, tämä lähestymistapa voisi onnistuneesti lukita hiilen hyödylliseen kiinteään muotoon negatiivisten hiilidioksidipäästöjen kompensoimiseksi tai jopa saavuttamiseksi.

Katalyyttinen yhdistelmä muuntaa hiilidioksidin kiinteiksi hiilinanokuiduiksi: Tandem-elektrokatalyyttinen-termokatalyyttinen konversio voi auttaa tasoittamaan voimakkaita kasvihuonekaasupäästöjä lukitsemalla hiilen hyödylliseen materiaaliin

Upton, NY | Julkaistu 12. tammikuuta 2024

"Voit laittaa hiilinanokuituja sementtiin vahvistamaan sementtiä", sanoi Jingguang Chen, kemiantekniikan professori Columbiassa, ja hän on nimittänyt yhteisen tapaamisen Brookhaven Labiin, joka johti tutkimusta. ”Se lukitsisi hiilen betoniin vähintään 50 vuodeksi, mahdollisesti pidemmäksikin ajaksi. Siihen mennessä maailma pitäisi siirtyä ensisijaisesti uusiutuviin energialähteisiin, jotka eivät aiheuta hiilidioksidipäästöjä."

Bonuksena prosessi tuottaa myös vetykaasua (H2), lupaavaa vaihtoehtoista polttoainetta, joka käytettäessä aiheuttaa nollapäästöjä.

Hiilen talteenotto tai muuntaminen
Ajatus hiilidioksidin talteenottamisesta tai sen muuntamisesta muihin materiaaleihin ilmastonmuutoksen torjumiseksi ei ole uusi. Mutta pelkkä CO2-kaasun varastointi voi aiheuttaa vuotoja. Ja monet CO2-konversiot tuottavat hiilipohjaisia kemikaaleja tai polttoaineita, jotka käytetään välittömästi, mikä vapauttaa hiilidioksidia takaisin ilmakehään.

"Tämän työn uutuus on se, että yritämme muuntaa hiilidioksidin joksikin, joka tuo lisäarvoa, mutta joka on kiinteässä, hyödyllisessä muodossa", Chen sanoi.

Tällaisilla kiinteillä hiilimateriaaleilla – mukaan lukien hiilinanoputket ja nanokuidut, joiden mitat ovat metrin miljardisosia – on monia houkuttelevia ominaisuuksia, mukaan lukien lujuus sekä lämmön- ja sähkönjohtavuus. Mutta ei ole yksinkertaista ottaa hiiltä hiilidioksidista ja saada se kasautumaan näihin hienojakoisiin rakenteisiin. Yksi suora, lämpöohjattu prosessi vaatii yli 1,000 celsiusasteen lämpötiloja.

"Se on erittäin epärealistista laajamittaisen hiilidioksidin vähentämisen kannalta", Chen sanoi. "Päinvastoin, löysimme prosessin, joka voi tapahtua noin 2 celsiusasteessa, mikä on paljon käytännöllisempi, teollisesti saavutettavissa oleva lämpötila."

Kaksivaiheinen tandem
Temppu oli jakaa reaktio vaiheisiin ja käyttää kahta erityyppistä katalyyttiä – materiaaleja, jotka helpottavat molekyylien yhdistämistä ja reagoimista.

"Jos irrotat reaktion useisiin osareaktiovaiheisiin, voit harkita erilaisten energiansyötteiden ja katalyyttien käyttämistä saadaksesi kunkin reaktion osan toimimaan", sanoi Brookhaven Labin ja Columbian tutkija Zhenhua Xie, paperin johtava kirjoittaja.

Tutkijat aloittivat ymmärtämällä, että hiilimonoksidi (CO) on paljon parempi lähtöaine kuin hiilidioksidi hiilinanokuitujen (CNF) valmistukseen. Sitten he perääntyivät löytääkseen tehokkaimman tavan tuottaa hiilidioksidia hiilidioksidista.

Heidän ryhmänsä aikaisempi työ ohjasi heidät käyttämään kaupallisesti saatavilla olevaa elektrokatalyyttiä, joka on valmistettu palladiumista hiilellä. Sähkökatalyytit ohjaavat kemiallisia reaktioita sähkövirralla. Virtavien elektronien ja protonien läsnä ollessa katalyytti jakaa sekä CO2:n että veden (H2O) CO:ksi ja H2:ksi.

Toisessa vaiheessa tutkijat käyttivät lämpöaktivoitua termokatalyyttiä, joka oli valmistettu rauta-kobolttiseoksesta. Se toimii noin 400 celsiusasteen lämpötiloissa, mikä on huomattavasti miedompi kuin suora CO2-CNF-muunnos vaatisi. He havaitsivat myös, että lisäämällä hieman ylimääräistä metallista kobolttia lisää huomattavasti hiilinanokuitujen muodostumista.

"Yhdistämällä sähkökatalyysin ja termokatalyysin käytämme tätä tandemprosessia saavuttaaksemme asioita, joita ei voida saavuttaa kummallakaan prosessilla yksin", Chen sanoi.

Katalyytin karakterisointi
Näiden katalyyttien toiminnan yksityiskohtien selvittämiseksi tutkijat suorittivat laajan valikoiman kokeita. Näitä olivat laskennalliset mallinnustutkimukset, fysikaaliset ja kemialliset karakterisointitutkimukset Brookhaven Labin National Synchrotron Light Source II:ssa (NSLS-II) käyttäen Quick X-ray Absorption and Scattering (QAS)- ja Inner-Shell Spectroscopy (ISS) -sädelinjoja sekä mikroskooppinen kuvantaminen. Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN) elektronimikroskopialaitoksessa.

Mallinnuksessa tutkijat käyttivät "tiheysfunktionaalisten teorian" (DFT) laskelmia analysoidakseen katalyyttien atomijärjestelyjä ja muita ominaisuuksia niiden ollessa vuorovaikutuksessa aktiivisen kemiallisen ympäristön kanssa.

"Tarkastelemme rakenteita määrittääksemme, mitkä ovat katalyytin stabiilit faasit reaktio-olosuhteissa", selitti tutkimuksen toinen kirjoittaja Ping Liu Brookhavenin kemianosastosta, joka johti näitä laskelmia. ”Tarkastelemme aktiivisia kohtia ja sitä, kuinka nämä paikat sitoutuvat reaktiovälituotteisiin. Määrittämällä esteet tai siirtymätilat vaiheesta toiseen opimme tarkalleen, kuinka katalyytti toimii reaktion aikana.

NSLS-II:n röntgendiffraktio- ja röntgenabsorptiokokeet seurasivat, kuinka katalyytit muuttuvat fysikaalisesti ja kemiallisesti reaktioiden aikana. Esimerkiksi synkrotroniröntgenkuvat paljastivat, kuinka sähkövirran läsnäolo muuttaa katalyytissä olevan metallisen palladiumin palladiumhydridiksi, metalliksi, joka on avain sekä H2:n että CO:n tuottamiseen ensimmäisessä reaktiovaiheessa.

Toisessa vaiheessa "Halusimme tietää, mikä on rauta-kobolttijärjestelmän rakenne reaktio-olosuhteissa ja kuinka optimoida rauta-kobolttikatalyytti", Xie sanoi. Röntgenkokeet vahvistivat, että läsnä on sekä raudan ja koboltin seos että jonkin verran ylimääräistä metallista kobolttia, ja niitä tarvitaan CO:n muuttamiseksi hiilinanokuiduiksi.

"Nämä kaksi toimivat yhdessä peräkkäin", sanoi Liu, jonka DFT-laskelmat auttoivat selittämään prosessia.

”Tutkimuksemme mukaan lejeeringin koboltti-rautakohdat auttavat rikkomaan hiilimonoksidin C-O-sidoksia. Tämä tekee atomihiilestä käytettävissä hiilinanokuitujen rakentamisen lähteenä. Sitten ylimääräinen koboltti on olemassa helpottamaan C-C-sidosten muodostumista, jotka yhdistävät hiiliatomit", hän selitti.

Kierrätysvalmis, hiilinegatiivinen
"CFN:ssä suoritettu transmissioelektronimikroskoopin (TEM) analyysi paljasti hiilinanokuitujen morfologiat, kiderakenteet ja alkuainejakaumat sekä katalyyttien kanssa että ilman", sanoi CFN-tutkija ja tutkimuksen toinen kirjoittaja Sooyeon Hwang.

Kuvista näkyy, että hiilinanokuitujen kasvaessa katalyytti työntyy ylös ja poispäin pinnasta. Tämä tekee katalyyttisen metallin kierrättämisestä helppoa, Chen sanoi.

"Käytämme happoa metallin huuhtoutumiseen tuhoamatta hiilinanokuitua, jotta voimme keskittää metallit ja kierrättää ne käytettäväksi uudelleen katalysaattorina", hän sanoi.

Tämä katalyytin kierrätyksen helppous, katalyyttien kaupallinen saatavuus ja suhteellisen lievät reaktio-olosuhteet toiselle reaktiolle edistävät kaikki prosessiin liittyvien energia- ja muiden kustannusten suotuisaa arviointia, tutkijat sanoivat.

"Käytännön sovelluksissa molemmat ovat todella tärkeitä - CO2-jalanjälkianalyysi ja katalyytin kierrätettävyys", Chen sanoi. "Tekniset tulokset ja muut analyysimme osoittavat, että tämä tandem-strategia avaa oven hiilidioksidin poistamiselle arvokkaiksi kiinteähiilituotteiksi samalla kun tuotetaan uusiutuvaa H2:ta."

Jos näitä prosesseja ohjaa uusiutuva energia, tulokset olisivat todella hiilinegatiivisia, mikä avaa uusia mahdollisuuksia CO2-päästöjen vähentämiseen.

Tätä tutkimusta tuki DOE Office of Science (BES). DFT-laskelmat suoritettiin käyttämällä CFN:n ja National Energy Research Scientific Computing Centerin (NERSC) DOE:n Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion laskentaresursseja. NSLS-II, CFN ja NERSC ovat DOE Office of Sciencen käyttäjätiloja.

####

Tietoja DOE/Brookhaven National Laboratorysta
Brookhaven National Laboratorya tukee Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimisto. Office of Science on suurin yksittäinen fysiikan perustutkimuksen tukija Yhdysvalloissa ja pyrkii vastaamaan joihinkin aikamme kiireellisimmistä haasteista. Lisätietoja on osoitteessa science.energy.gov.

Seuraa @BrookhavenLabia sosiaalisessa mediassa. Löydä meidät Instagramista, LinkedInistä, Twitteristä ja Facebookista.

Saat lisätietoja napsauttamalla tätä

Yhteydet:
Karen McNulty Walsh
DOE/Brookhaven National Laboratory
Toimisto: 631-344-8350

Tekijänoikeus © DOE/Brookhaven National Laboratory

Jos sinulla on kommentteja, kiitos Ota yhteyttä meille.

Lehdistötiedotteiden liikkeeseenlaskijat, eivät 7th Wave, Inc. tai Nanotechnology Now, ovat yksin vastuussa sisällön oikeellisuudesta.

Kirjanmerkki: