Nanotechnology Now - プレスリリース: 触媒コンボが CO2 を固体カーボンナノファイバーに変換: タンデム電気触媒 - 熱触媒変換は、炭素を有用な材料に閉じ込めることで強力な温室効果ガスの排出を相殺するのに役立つ可能性がある

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科学者たちは、大気中の二酸化炭素（CO2）を貴重なカーボンナノファイバーに変換する戦略を考案した。このプロセスでは、タンデム電気触媒 (青色のリング) と熱触媒 (オレンジ色のリング) 反応を使用して、CO2 (青緑色と銀の分子) と水 (紫と青緑色) を「固定された」カーボンナノファイバー (銀) に変換し、水素ガス (H2、紫色) を生成します。）有益な副産物として。カーボンナノファイバーは、セメントなどの建築材料を強化し、数十年間にわたって炭素を閉じ込めるのに使用できる可能性がある。クレジット (Zhenhua Xie/ブルックヘブン国立研究所およびコロンビア大学、Erwei Huang/ブルックヘブン国立研究所)

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.

CREDIT
(Zhenhua Xie/ブルックヘブン国立研究所およびコロンビア大学、Erwei Huang/ブルックヘブン国立研究所)

要約：
米国エネルギー省 (DOE) のブルックヘブン国立研究所とコロンビア大学の科学者たちは、強力な温室効果ガスである二酸化炭素 (CO2) を、幅広いユニークな特性と多くの潜在的な長寿命性を持つ材料であるカーボンナノファイバーに変換する方法を開発しました。用語の使用。彼らの戦略は、比較的低い温度と周囲圧力で実行されるタンデム電気化学反応と熱化学反応を使用します。科学者らが Nature Catalysis 誌で説明しているように、このアプローチは炭素を有用な固体の形で閉じ込めることに成功し、炭素排出を相殺したり、さらにはマイナスの炭素排出を達成したりする可能性があります。

触媒コンボは CO2 を固体カーボンナノファイバーに変換します。電気触媒と熱触媒のタンデム変換は、炭素を有用な材料に閉じ込めることで、強力な温室効果ガスの排出を相殺するのに役立つ可能性があります。

ニューヨーク州アプトン |投稿日: 12 年 2024 月 XNUMX 日

「カーボンナノファイバーをセメントに入れてセメントを強化することができます」と、ブルックヘブン研究所と共同で研究を主導したコロンビア大学の化学工学教授、ジングアン・チェン氏は語った。「これにより炭素は少なくとも50年間、場合によってはさらに長くコンクリート中に閉じ込められることになる。それまでに、世界は主に炭素を排出しない再生可能エネルギー源に移行するはずです。」

おまけに、このプロセスでは水素ガス (H2) も生成されます。水素ガス (HXNUMX) は、使用すると排出ガスがゼロになる有望な代替燃料です。

炭素の捕捉または変換
気候変動に対抗するために CO2 を回収したり、他の物質に変換したりするという考えは新しいものではありません。しかし、単に CO2 ガスを保管するだけでは漏れが発生する可能性があります。そして、多くの CO2 変換では炭素ベースの化学物質や燃料が生成され、それらはすぐに使用され、CO2 はすぐに大気中に放出されます。

「この研究の斬新さは、CO2を付加価値のあるもの、しかもしっかりとした有用な形に変換しようとしているということです」とチェン氏は語った。

このような固体炭素材料 (1,000 億分の XNUMX メートルの寸法を持つカーボンナノチューブやナノファイバーを含む) には、強度、熱伝導性、電気伝導性など、多くの魅力的な特性があります。しかし、二酸化炭素から炭素を抽出し、それを組み立ててこのような微細な構造を形成するのは簡単なことではありません。直接的な熱駆動プロセスでは、摂氏 XNUMX 度を超える温度が必要です。

「大規模なCO2削減には非常に非現実的です」とチェン氏は言う。「対照的に、私たちは摂氏約400度で発生するプロセスを発見しました。これは、はるかに実用的で工業的に達成可能な温度です。」

タンデムツーステップ
その秘訣は、反応を段階に分け、分子が集まって反応しやすくする材料である 2 種類の異なる触媒を使用することでした。

「反応をいくつかのサブ反応ステップに分離すると、反応の各部分を機能させるために、さまざまな種類のエネルギー投入と触媒の使用を検討できます」と、論文の筆頭著者であるブルックヘブン研究所およびコロンビア大学の研究員、ジェンフア・シエ氏は述べた。

科学者たちは、カーボンナノファイバー (CNF) を製造するには、一酸化炭素 (CO) が CO2 よりもはるかに優れた出発原料であることに気づくことから始めました。その後、彼らは CO2 から CO を生成する最も効率的な方法を見つけるために逆戻りしました。

彼らのグループの以前の研究では、炭素に担持されたパラジウムで作られた市販の電極触媒を使用するよう方向づけられました。電極触媒は、電流を使用して化学反応を引き起こします。流れる電子とプロトンの存在下で、触媒は CO2 と水 (H2O) の両方を CO と H2 に分解します。

第 400 ステップとして、科学者たちは鉄とコバルトの合金で作られた熱活性化熱触媒に注目しました。動作温度は摂氏約 2 度で、COXNUMX から CNF への直接変換に必要な温度よりも大幅に穏やかです。彼らはまた、少量の金属コバルトを追加すると、カーボンナノファイバーの形成が大幅に促進されることも発見しました。

「電気触媒と熱触媒を組み合わせることで、私たちはこのタンデムプロセスを使用して、どちらかのプロセスだけでは達成できないことを達成しています」とChen氏は述べました。

触媒の特性評価
これらの触媒がどのように機能するかを詳細に解明するために、科学者たちは幅広い実験を実施しました。これらには、コンピューターによるモデリング研究、ブルックヘブン研究所の国立シンクロトロン光源 II (NSLS-II) での高速 X 線吸収および散乱 (QAS) および内殻分光法 (ISS) ビームラインを使用した物理的および化学的特性評価研究、および顕微鏡イメージングが含まれます。研究室の機能性ナノマテリアルセンター（CFN）の電子顕微鏡施設で。

モデリングの面では、科学者らは「密度汎関数理論」(DFT) 計算を使用して、活性な化学環境と相互作用する際の触媒の原子配列やその他の特性を分析しました。

「私たちは、反応条件下で触媒の安定相が何かを決定するために構造を調べています」と、研究の共著者であり、これらの計算を主導したブルックヘブン化学部門のピン・リュー氏は説明した。「私たちは活性部位と、これらの部位が反応中間体とどのように結合しているかを調べています。あるステップから別のステップへの障壁、または遷移状態を決定することで、反応中に触媒がどのように機能しているかを正確に知ることができます。」

NSLS-II での X 線回折および X 線吸収実験は、反応中に触媒が物理的および化学的にどのように変化するかを追跡しました。たとえば、シンクロトロン X 線は、電流の存在によって触媒内の金属パラジウムが、最初の反応段階で H2 と CO の両方を生成する鍵となる金属である水素化パラジウムにどのように変化するかを明らかにしました。

第 2 段階では、「反応条件下で鉄 - コバルト系の構造がどのようなものであるか、また鉄 - コバルト触媒を最適化する方法を知りたかったのです」と Xie 氏は述べました。 X線実験により、鉄とコバルトの合金に加え、追加の金属コバルトが存在し、COをカーボンナノファイバーに変換するのに必要であることが確認された。

「この 2 つは順番に連携します」と Liu 氏は述べ、彼の DFT 計算はプロセスの説明に役立ちました。

「私たちの研究によると、合金内のコバルト鉄サイトは一酸化炭素の C-O 結合を切断するのに役立ちます。これにより、原子状炭素がカーボンナノファイバーを構築するためのソースとして利用可能になります。そして、余分なコバルトは、炭素原子を結び付けるC-C結合の形成を促進するために存在します」と彼女は説明した。

リサイクル対応、カーボンネガティブ
「CFNで実施された透過型電子顕微鏡（TEM）分析により、触媒の有無にかかわらずカーボンナノファイバー内の形態、結晶構造、元素分布が明らかになりました」とCFNの科学者で研究共著者のSooyeon Hwang氏は述べた。

画像は、カーボンナノファイバーが成長するにつれて、触媒が押し上げられ、表面から離れていくことを示しています。これにより、触媒金属のリサイクルが容易になるとチェン氏は述べた。

「酸を使ってカーボンナノファイバーを破壊することなく金属を浸出させることで、金属を濃縮し、リサイクルして再び触媒として使用することができます」と同氏は述べた。

この触媒リサイクルの容易さ、触媒の商業的入手可能性、第二反応の比較的温和な反応条件はすべて、プロセスに関連するエネルギーやその他のコストの有利な評価に貢献している、と研究者らは述べた。

「実用化には、CO2 排出量分析と触媒のリサイクル可能性の両方が非常に重要です」とチェン氏は述べています。「私たちの技術的結果とその他の分析は、このタンデム戦略が、再生可能な H2 を生成しながら、CO2 を脱炭素化して貴重な固体炭素製品にするための扉を開くことを示しています。」

これらのプロセスが再生可能エネルギーによって推進されれば、その結果は真のカーボンネガティブとなり、CO2 削減の新たな機会が開かれます。

この研究はDOE科学局(BES)の支援を受けました。 DFT 計算は、CFN とエネルギー省ローレンスバークレー国立研究所の国立エネルギー研究科学計算センター (NERSC) の計算リソースを使用して実行されました。 NSLS-II、CFN、および NERSC は、DOE 科学局のユーザー施設です。

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DOE/ブルックヘブン国立研究所について
ブルックヘブン国立研究所は、米国エネルギー省科学局の支援を受けています。科学局は、米国における物理科学の基礎研究の最大の支援者であり、現代の最も差し迫った課題のいくつかに対処するために取り組んでいます。詳細については、science.energy.gov をご覧ください。

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コンタクト：
カレン・マクナルティ・ウォルシュ
DOE/ブルックヘブン国立研究所
オフィス：631-344-8350

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