Nanoteknologi Sekarang - Siaran Pers: Kombo Katalitik Mengubah CO2 Menjadi Karbon Padat Nanofiber: Konversi Elektrokatalitik-termokatalitik Tandem Dapat Membantu Mengimbangi Emisi Gas Rumah Kaca Berpotensi Dengan Mengunci Karbon Dalam Bahan Berguna

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Beranda > Tekan > Kombinasi katalitik mengubah CO2 menjadi serat nano karbon padat: Konversi elektrokatalitik-termokatalitik tandem dapat membantu mengimbangi emisi gas rumah kaca yang kuat dengan mengunci karbon dalam bahan yang berguna

Para ilmuwan telah merancang strategi untuk mengubah karbon dioksida (CO2) dari atmosfer menjadi serat nano karbon yang berharga. Proses ini menggunakan reaksi tandem elektrokatalitik (cincin biru) dan termokatalitik (cincin oranye) untuk mengubah CO2 (molekul teal dan perak) ditambah air (ungu dan teal) menjadi serat nano karbon "tetap" (perak), menghasilkan gas hidrogen (H2, ungu ) sebagai produk sampingan yang bermanfaat. Serat nano karbon dapat digunakan untuk memperkuat bahan bangunan seperti semen dan mengunci karbon selama beberapa dekade. KREDIT (Laboratorium Nasional Zhenhua Xie/Brookhaven dan Universitas Columbia; Laboratorium Nasional Erwei Huang/Brookhaven)

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.

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

Abstrak:
Para ilmuwan di Laboratorium Nasional Brookhaven Departemen Energi AS (DOE) dan Universitas Columbia telah mengembangkan cara untuk mengubah karbon dioksida (CO2), gas rumah kaca yang kuat, menjadi serat nano karbon, bahan dengan berbagai sifat unik dan banyak potensi jangka panjang. penggunaan istilah. Strategi mereka menggunakan reaksi elektrokimia dan termokimia tandem yang dijalankan pada suhu dan tekanan sekitar yang relatif rendah. Seperti yang dijelaskan para ilmuwan dalam jurnal Nature Catalysis, pendekatan ini berhasil mengunci karbon dalam bentuk padat yang berguna untuk mengimbangi atau bahkan mencapai emisi karbon negatif.

Kombinasi katalitik mengubah CO2 menjadi serat nano karbon padat: Konversi elektrokatalitik-termokatalitik tandem dapat membantu mengimbangi emisi gas rumah kaca yang kuat dengan mengunci karbon dalam bahan yang berguna

Upton, New York | Diposting pada 12 Januari 2024

“Anda dapat memasukkan serat nano karbon ke dalam semen untuk memperkuat semen,” kata Jingguang Chen, seorang profesor teknik kimia di Columbia dengan penunjukan bersama di Brookhaven Lab yang memimpin penelitian tersebut. “Hal ini akan mengunci karbon di dalam beton setidaknya selama 50 tahun, atau mungkin lebih lama. Pada saat itu, dunia harus beralih ke sumber energi terbarukan yang tidak mengeluarkan karbon.”

Sebagai bonus, proses ini juga menghasilkan gas hidrogen (H2), bahan bakar alternatif yang menjanjikan, dan jika digunakan, tidak menghasilkan emisi apa pun.

Menangkap atau mengubah karbon
Gagasan untuk menangkap CO2 atau mengubahnya menjadi bahan lain untuk memerangi perubahan iklim bukanlah hal baru. Namun sekadar menyimpan gas CO2 dapat menyebabkan kebocoran. Dan banyak konversi CO2 menghasilkan bahan kimia atau bahan bakar berbasis karbon yang langsung digunakan, sehingga melepaskan CO2 kembali ke atmosfer.

“Hal baru dari pekerjaan ini adalah kami mencoba mengubah CO2 menjadi sesuatu yang bernilai tambah namun dalam bentuk yang solid dan berguna,” kata Chen.

Bahan karbon padat tersebut—termasuk tabung nano karbon dan serat nano dengan dimensi berukuran sepermiliar meter—memiliki banyak sifat menarik, termasuk kekuatan serta konduktivitas termal dan listrik. Namun bukanlah hal yang mudah untuk mengekstrak karbon dari karbon dioksida dan membuatnya berkumpul menjadi struktur berskala halus ini. Satu proses langsung yang digerakkan oleh panas memerlukan suhu lebih dari 1,000 derajat Celsius.

“Ini sangat tidak realistis untuk mitigasi CO2 skala besar,” kata Chen. “Sebaliknya, kami menemukan proses yang dapat terjadi pada suhu sekitar 400 derajat Celcius, yang merupakan suhu yang jauh lebih praktis dan dapat dicapai secara industri.”

Tandem dua langkah
Caranya adalah dengan memecah reaksi menjadi beberapa tahap dan menggunakan dua jenis katalis berbeda—bahan yang memudahkan molekul untuk berkumpul dan bereaksi.

“Jika Anda memisahkan reaksi menjadi beberapa langkah sub-reaksi, Anda dapat mempertimbangkan untuk menggunakan berbagai jenis masukan energi dan katalis untuk membuat setiap bagian reaksi bekerja,” kata ilmuwan penelitian Brookhaven Lab dan Columbia, Zhenhua Xie, penulis utama makalah tersebut.

Para ilmuwan memulai dengan menyadari bahwa karbon monoksida (CO) adalah bahan awal yang jauh lebih baik daripada CO2 untuk membuat serat nano karbon (CNF). Kemudian mereka mundur untuk menemukan cara paling efisien untuk menghasilkan CO dari CO2.

Penelitian sebelumnya dari kelompok mereka mengarahkan mereka untuk menggunakan elektrokatalis yang tersedia secara komersial yang terbuat dari paladium yang didukung oleh karbon. Elektrokatalis menggerakkan reaksi kimia menggunakan arus listrik. Dengan adanya aliran elektron dan proton, katalis memecah CO2 dan air (H2O) menjadi CO dan H2.

Untuk langkah kedua, para ilmuwan beralih ke termokatalis yang diaktifkan panas yang terbuat dari paduan besi-kobalt. Teknologi ini beroperasi pada suhu sekitar 400 derajat Celsius, yang secara signifikan lebih ringan daripada yang diperlukan untuk mengubah CO2 menjadi CNF secara langsung. Mereka juga menemukan bahwa menambahkan sedikit logam kobalt ekstra sangat meningkatkan pembentukan serat nano karbon.

“Dengan menggabungkan elektrokatalisis dan termokatalisis, kami menggunakan proses tandem ini untuk mencapai hal-hal yang tidak dapat dicapai hanya dengan proses mana pun,” kata Chen.

Karakterisasi katalis
Untuk mengetahui rincian cara kerja katalis ini, para ilmuwan melakukan berbagai eksperimen. Ini termasuk studi pemodelan komputasi, studi karakterisasi fisik dan kimia di National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) Brookhaven Lab—menggunakan garis pancaran Quick X-ray Absorpsi and Scattering (QAS) dan Inner-Shell Spectrcopy (ISS)—dan pencitraan mikroskopis di fasilitas Mikroskop Elektron di Pusat Lab untuk Nanomaterial Fungsional (CFN).

Dalam pemodelan, para ilmuwan menggunakan perhitungan “teori fungsional kepadatan” (DFT) untuk menganalisis susunan atom dan karakteristik katalis lainnya ketika berinteraksi dengan lingkungan kimia aktif.

“Kami melihat strukturnya untuk menentukan fase stabil katalis dalam kondisi reaksi,” jelas rekan penulis studi Ping Liu dari Divisi Kimia Brookhaven yang memimpin perhitungan ini. “Kami mengamati situs-situs aktif dan bagaimana situs-situs ini berikatan dengan zat antara reaksi. Dengan menentukan hambatan, atau keadaan transisi, dari satu langkah ke langkah lainnya, kita mempelajari dengan tepat bagaimana katalis berfungsi selama reaksi.”

Eksperimen difraksi sinar-X dan penyerapan sinar-X di NSLS-II melacak bagaimana katalis berubah secara fisik dan kimia selama reaksi. Misalnya, sinar-x sinkrotron mengungkapkan bagaimana kehadiran arus listrik mengubah logam paladium dalam katalis menjadi paladium hidrida, logam yang merupakan kunci untuk menghasilkan H2 dan CO pada tahap reaksi pertama.

Untuk tahap kedua, “Kami ingin mengetahui seperti apa struktur sistem besi-kobalt dalam kondisi reaksi dan bagaimana mengoptimalkan katalis besi-kobalt,” kata Xie. Percobaan x-ray mengkonfirmasi bahwa paduan besi dan kobalt ditambah beberapa logam kobalt tambahan ada dan diperlukan untuk mengubah CO menjadi serat nano karbon.

“Keduanya bekerja sama secara berurutan,” kata Liu, yang perhitungan DFT-nya membantu menjelaskan proses tersebut.

“Menurut penelitian kami, situs besi kobalt dalam paduan membantu memutus ikatan CO karbon monoksida. Hal ini membuat karbon atom tersedia untuk dijadikan sebagai sumber pembuatan serat nano karbon. Kemudian tambahan kobalt ada untuk memfasilitasi pembentukan ikatan C-C yang menghubungkan atom karbon,” jelasnya.

Siap didaur ulang, bebas karbon
“Analisis mikroskop elektron transmisi (TEM) yang dilakukan di CFN mengungkapkan morfologi, struktur kristal, dan distribusi unsur dalam serat nano karbon baik dengan atau tanpa katalis,” kata ilmuwan CFN dan rekan penulis studi Sooyeon Hwang.

Gambar menunjukkan bahwa, seiring pertumbuhan serat nano karbon, katalis terdorong ke atas dan menjauh dari permukaan. Hal ini memudahkan untuk mendaur ulang logam katalitik, kata Chen.

“Kami menggunakan asam untuk melepaskan logam tanpa merusak serat nano karbon sehingga kami dapat memusatkan logam dan mendaur ulangnya untuk digunakan sebagai katalis lagi,” katanya.

Kemudahan daur ulang katalis, ketersediaan katalis secara komersial, dan kondisi reaksi yang relatif ringan untuk reaksi kedua, semuanya berkontribusi pada penilaian yang baik terhadap energi dan biaya lain yang terkait dengan proses tersebut, kata para peneliti.

“Untuk penerapan praktis, keduanya sangat penting—analisis jejak CO2 dan kemampuan daur ulang katalis,” kata Chen. “Hasil teknis kami dan analisis lainnya menunjukkan bahwa strategi tandem ini membuka pintu untuk dekarbonisasi CO2 menjadi produk karbon padat yang berharga sekaligus menghasilkan H2 terbarukan.”

Jika proses ini didorong oleh energi terbarukan, maka hasilnya akan benar-benar negatif karbon, sehingga membuka peluang baru untuk mitigasi CO2.

Penelitian ini didukung oleh DOE Office of Science (BES). Perhitungan DFT dilakukan dengan menggunakan sumber daya komputasi di CFN dan di National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) di Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley DOE. NSLS-II, CFN, dan NERSC merupakan fasilitas pengguna DOE Office of Science.

####

Tentang Laboratorium Nasional DOE/Brookhaven
Laboratorium Nasional Brookhaven didukung oleh Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS. Office of Science adalah pendukung terbesar penelitian dasar ilmu fisika di Amerika Serikat dan berupaya mengatasi beberapa tantangan paling mendesak di zaman kita. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi science.energy.gov.

Ikuti @BrookhavenLab di media sosial. Temukan kami di Instagram, LinkedIn, Twitter, dan Facebook.

Untuk informasi lebih lanjut, silakan klik di sini

Kontak:
Karen McNulty Walsh
Laboratorium Nasional DOE/Brookhaven
Kantor: 631-344-8350

Hak Cipta © DOE/Laboratorium Nasional Brookhaven

Jika Anda punya komentar, silakan Kontak kita.

Penerbit rilis berita, bukan 7th Wave, Inc. atau Nanotechnology Now, semata-mata bertanggung jawab atas keakuratan konten.

Bookmark: