ננוטכנולוגיה עכשיו - הודעה לעיתונות: קומבו קטליטי ממיר CO2 לפחמן מוצק ננו-סיבים: המרה אלקטרוקטליטית-תרמוקטליטית טנדם יכולה לעזור לקזז פליטות של גז חממה עוצמתי על ידי נעילת פחמן בחומר שימושי

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

עמוד הבית > חדשות ועדכונים > שילוב קטליטי ממירה CO2 לננו-סיבי פחמן מוצקים: המרה אלקטרוקטליטית-תרמוקטליטית טנדם יכולה לסייע בקיזוז פליטות של גז חממה חזק על ידי נעילת פחמן בחומר שימושי

מדענים המציאו אסטרטגיה להמרת פחמן דו חמצני (CO2) מהאטמוספירה לננו-סיבי פחמן יקרי ערך. התהליך משתמש בתגובות אלקטרוקטליטיות טנדם (טבעת כחולה) ותרמוקטליטיות (טבעת כתומה) כדי להמיר את ה-CO2 (מולקולות צהבהב וכסף) בתוספת מים (סגול וצהבהב) לננו-סיבי פחמן "קבועים" (כסף), המייצרים גז מימן (H2, סגול). ) כתוצר לוואי מועיל. ניתן להשתמש בננו-סיבי הפחמן לחיזוק חומרי בניין כגון מלט ולנעילת פחמן במשך עשרות שנים. קרדיט (Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory ואוניברסיטת קולומביה; 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.

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

תקציר:
מדענים במעבדה הלאומית של משרד האנרגיה של מחלקת האנרגיה של ארה"ב (DOE) ובאוניברסיטת קולומביה פיתחו דרך להמיר פחמן דו חמצני (CO2), גז חממה חזק, לננו-סיבי פחמן, חומרים בעלי מגוון רחב של תכונות ייחודיות ופוטנציאל רב טווח ארוך- שימושים במונחים. האסטרטגיה שלהם משתמשת בתגובות אלקטרוכימיות ותרמוכימיות טנדם הפועלות בטמפרטורות נמוכות יחסית ובלחץ הסביבה. כפי שמתארים המדענים בכתב העת Nature Catalysis, גישה זו יכולה להצליח לנעול פחמן בצורה מוצקה שימושית כדי לקזז או אפילו להשיג פליטות פחמן שליליות.

משולבת קטליטית ממירה CO2 לננו-סיבי פחמן מוצקים: המרה אלקטרוקטליטית-תרמוקטליטית טנדם יכולה לעזור לקזז פליטות של גז חממה חזק על ידי נעילת פחמן בחומר שימושי

אפטון, ניו יורק | פורסם ב-12 בינואר, 2024

"אתה יכול להכניס את ננו-סיבי הפחמן למלט כדי לחזק את המלט", אמר ג'ינגגואנג צ'ן, פרופסור להנדסה כימית בקולומביה עם מינוי משותף במעבדת ברוקהייבן שהוביל את המחקר. "זה יחסל את הפחמן בבטון למשך 50 שנה לפחות, אולי יותר. עד אז, צריך להעביר את העולם למקורות אנרגיה מתחדשים בעיקר שאינם פולטים פחמן".

כבונוס, התהליך מייצר גם גז מימן (H2), דלק חלופי מבטיח שבשימוש בו יוצר אפס פליטות.

לכידה או המרת פחמן
הרעיון של לכידת CO2 או המרתו לחומרים אחרים כדי להילחם בשינויי האקלים אינו חדש. אבל אחסון גז CO2 פשוט יכול להוביל לדליפות. והמרות רבות של CO2 מייצרות כימיקלים או דלקים המבוססים על פחמן המשמשים מיד, מה שמשחרר CO2 ישירות לאטמוספירה.

"החידוש בעבודה זו הוא שאנו מנסים להמיר CO2 למשהו בעל ערך מוסף אך בצורה מוצקה ושימושית", אמר צ'ן.

לחומרי פחמן מוצקים כאלה - כולל ננו-צינורות פחמן וננו-סיביים עם ממדים של מיליארדיות המטר - יש תכונות מושכות רבות, כולל חוזק ומוליכות תרמית וחשמלית. אבל זה לא עניין פשוט להפיק פחמן מפחמן דו חמצני ולגרום לו להרכיב לתוך המבנים בקנה מידה עדין אלה. תהליך ישיר אחד, מונחה חום, דורש טמפרטורות העולה על 1,000 מעלות צלזיוס.

"זה מאוד לא ריאלי להפחתת CO2 בקנה מידה גדול", אמר צ'ן. "לעומת זאת, מצאנו תהליך שיכול להתרחש בכ-400 מעלות צלזיוס, שזו טמפרטורה הרבה יותר מעשית וניתנת להשגה תעשייתית".

הטנדם דו-שלבי
החוכמה הייתה לפרק את התגובה לשלבים ולהשתמש בשני סוגים שונים של זרזים - חומרים שמקלים על מולקולות להתכנס ולהגיב.

"אם תנתק את התגובה למספר שלבי תגובת משנה, תוכל לשקול שימוש בסוגים שונים של הזנת אנרגיה וזרזים כדי לגרום לכל חלק של התגובה לעבוד", אמר מדען מעבדת ברוקהייבן ומדען המחקר של קולומביה Zhenhua Xie, המחבר הראשי של המאמר.

המדענים התחילו בכך שהבינו שפחמן חד חמצני (CO) הוא חומר מוצא טוב בהרבה מCO2 לייצור ננו-סיבי פחמן (CNF). אחר כך הם חזרו לאחור כדי למצוא את הדרך היעילה ביותר לייצר CO מ-CO2.

עבודה מוקדמת יותר של הקבוצה שלהם כיוון אותם להשתמש באלקטרוקטליזטור זמין מסחרי עשוי פלדיום נתמך על פחמן. אלקטרו-זרזים מניעים תגובות כימיות באמצעות זרם חשמלי. בנוכחות אלקטרונים ופרוטונים זורמים, הזרז מפצל גם CO2 וגם מים (H2O) ל-CO ו-H2.

לשלב השני, המדענים פנו לתרמו-זרז מופעל בחום העשוי מסגסוגת ברזל-קובלט. הוא פועל בטמפרטורות סביב 400 מעלות צלזיוס, מתון משמעותית ממה שהמרה ישירה של CO2 ל-CNF תדרוש. הם גם גילו שהוספת מעט קובלט מתכתי נוסף משפרת מאוד את היווצרות ננו-סיבי הפחמן.

"על ידי צימוד אלקטרוקטליזה ותרמוקטליזה, אנו משתמשים בתהליך טנדם זה כדי להשיג דברים שלא ניתן להשיג על ידי אף אחד מהתהליך לבדו", אמר צ'ן.

אפיון זרז
כדי לגלות את הפרטים של אופן הפעולה של זרזים אלה, ערכו המדענים מגוון רחב של ניסויים. אלה כללו מחקרי מודלים חישוביים, מחקרי אפיון פיזיקליים וכימיים ב-National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) של מעבדת ברוקהייבן - תוך שימוש בקווי אלומה מהירים של קליטה ופיזור רנטגן (QAS) ו-Inner-Shell Spectroscopy (ISS) - והדמיה מיקרוסקופית במתקן למיקרוסקופיה אלקטרונית במרכז המעבדה לננו-חומרים פונקציונליים (CFN).

בחזית הדוגמנות, המדענים השתמשו בחישובי "תיאוריית פונקציונליות הצפיפות" (DFT) כדי לנתח את הסידורים האטומיים ומאפיינים אחרים של הזרזים בעת אינטראקציה עם הסביבה הכימית הפעילה.

"אנו בוחנים את המבנים כדי לקבוע מה הם השלבים היציבים של הזרז בתנאי תגובה", הסביר מחבר המחקר פינג ליו מחטיבת הכימיה של ברוקהייבן שהוביל את החישובים הללו. "אנחנו בוחנים אתרים פעילים וכיצד אתרים אלה מתחברים עם תוצרי הביניים של התגובה. על ידי קביעת המחסומים, או מצבי המעבר, משלב אחד לאחר, אנו לומדים בדיוק כיצד הזרז מתפקד במהלך התגובה."

ניסויי עקיפה וקרני רנטגן ב-NSLS-II עקבו אחר האופן שבו הזרזים משתנים פיזית וכימית במהלך התגובות. לדוגמה, צילומי רנטגן סינכרוטרוניים חשפו כיצד נוכחות זרם חשמלי הופכת פלדיום מתכתי בזרז לפלדיום הידריד, מתכת שהיא המפתח להפקת H2 וגם CO בשלב התגובה הראשון.

לשלב השני, "רצינו לדעת מה המבנה של מערכת הברזל-קובלט בתנאי תגובה וכיצד לייעל את זרז הברזל-קובלט", אמר שי. ניסויי הרנטגן אישרו כי ישנן גם סגסוגת של ברזל וקובלט בתוספת מעט קובלט מתכתי נוסף כדי להמיר CO לננו-סיבי פחמן.

"השניים עובדים ביחד ברצף", אמר ליו, שחישובי ה-DFT שלו עזרו להסביר את התהליך.

"לפי המחקר שלנו, אתרי הקובלט-ברזל בסגסוגת עוזרים לשבור את קשרי ה-C-O של פחמן חד חמצני. זה הופך פחמן אטומי לזמין כדי לשמש כמקור לבניית ננו-סיבי פחמן. אז הקובלט הנוסף נמצא שם כדי להקל על היווצרות של קשרי C-C המחברים בין אטומי הפחמן", הסבירה.

מוכן למיחזור, שלילי פחמן
"ניתוח מיקרוסקופ אלקטרונים העברה (TEM) שבוצע ב-CFN חשפה את המורפולוגיות, מבני הגביש והתפלגות היסודות בתוך ננו-סיבי הפחמן גם עם וגם בלי זרזים", אמר מדען CFN ומחבר שותף למחקר, סויון הוואנג.

התמונות מראות שכאשר ננו-סיבי הפחמן גדלים, הזרז נדחק מעלה ומתרחק מפני השטח. זה מקל על מיחזור המתכת הקטליטית, אמר צ'ן.

"אנחנו משתמשים בחומצה כדי לשטוף את המתכת החוצה מבלי להרוס את ננו-סיבי הפחמן כדי שנוכל לרכז את המתכות ולמחזר אותן כדי לשמש שוב כזרז", אמר.

הקלות הזו של מיחזור זרזים, זמינות מסחרית של הזרזים ותנאי תגובה מתונים יחסית לתגובה השנייה, כולם תורמים להערכה חיובית של האנרגיה ועלויות אחרות הקשורות לתהליך, אמרו החוקרים.

"עבור יישומים מעשיים, שניהם חשובים מאוד - ניתוח טביעת הרגל של CO2 ויכולת המיחזור של הזרז", אמר צ'ן. "התוצאות הטכניות שלנו והניתוחים האחרים הללו מראים שאסטרטגיית טנדם זו פותחת דלת להפחתת CO2 למוצרי פחמן מוצקים יקרי ערך תוך הפקת H2 מתחדשת."

אם תהליכים אלה מונעים על ידי אנרגיה מתחדשת, התוצאות יהיו באמת שליליות פחמן, ויפתחו הזדמנויות חדשות להפחתת CO2.

מחקר זה נתמך על ידי משרד המדע DOE (BES). חישובי ה-DFT בוצעו באמצעות משאבי חישוב ב-CFN וב-National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי של DOE. NSLS-II, CFN ו-NERSC הם מתקני משתמש של משרד DOE of Science.

####

אודות המעבדה הלאומית של DOE/Brookhaven
המעבדה הלאומית ברוקהייבן נתמכת על ידי משרד המדע של משרד האנרגיה האמריקאי. משרד המדע הוא התומך היחיד הגדול ביותר במחקר בסיסי במדעי הפיזיקה בארצות הברית ופועל להתמודד עם כמה מהאתגרים הדחופים ביותר של זמננו. למידע נוסף, בקר בכתובת science.energy.gov.

עקוב אחר @BrookhavenLab במדיה החברתית. מצא אותנו באינסטגרם, לינקדאין, טוויטר ופייסבוק.

לקבלת מידע נוסף, לחץ על כאן

ליצירת קשר:
קארן מקנולטי וולש
DOE/Brookhaven National Laboratory
Office: 631-344-8350

זכויות יוצרים © DOE/Brookhaven National Laboratory

אם יש לך תגובה בבקשה צרו קשר שלנו.

מנפיקי מהדורות חדשות, לא 7th Wave, Inc. או Nanotechnology Now, אחראים בלעדית לדיוק התוכן.

הפוך: