나노기술 현재 - 보도 자료: 촉매 콤보로 CO2를 고체 탄소 나노섬유로 전환: 직렬 전기촉매-열촉매 전환으로 유용한 물질에 탄소를 가두어 강력한 온실가스 배출을 상쇄하는 데 도움이 될 수 있음

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과학자들은 대기 중의 이산화탄소(CO2)를 귀중한 탄소 나노섬유로 전환시키는 전략을 고안했습니다. 이 공정은 직렬 전기촉매(청색 고리)와 열촉매(주황색 고리) 반응을 사용하여 CO2(청록색 및 은 분자)와 물(보라색 및 청록색)을 "고정" 탄소 나노섬유(은)로 변환하여 수소 가스(H2, 보라색)를 생성합니다. ) 유익한 부산물로. 탄소 나노섬유는 시멘트와 같은 건축 자재를 강화하고 수십 년 동안 탄소를 가두는 데 사용될 수 있습니다.

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(Zhenhua Xie/Brookhaven 국립 연구소 및 컬럼비아 대학, Erwei Huang/Brookhaven 국립 연구소)

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.

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(Zhenhua Xie/Brookhaven 국립 연구소 및 컬럼비아 대학, Erwei Huang/Brookhaven 국립 연구소)

요약 :
미국 에너지부(DOE) 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory)와 컬럼비아 대학의 과학자들은 강력한 온실가스인 이산화탄소(CO2)를 광범위한 고유 특성과 장기간 지속 가능성을 지닌 물질인 탄소 나노섬유로 전환하는 방법을 개발했습니다. 용어 사용. 그들의 전략은 상대적으로 낮은 온도와 주변 압력에서 실행되는 직렬 전기화학 및 열화학 반응을 사용합니다. 과학자들이 Nature Catalytic 저널에 설명했듯이, 이 접근 방식은 탄소를 유용한 고체 형태로 성공적으로 가두어 부정적인 탄소 배출을 상쇄하거나 심지어 달성할 수도 있습니다.

촉매 콤보는 CO2를 고체 탄소 나노섬유로 변환합니다. 직렬 전기촉매-열촉매 변환은 유용한 물질에 탄소를 가두어 강력한 온실가스 배출을 상쇄하는 데 도움이 될 수 있습니다.

업턴, 뉴욕 | 게시일: 12년 2024월 XNUMX일

이번 연구를 주도한 Brookhaven Lab의 공동 연구원인 Columbia 대학의 화학공학 교수인 Jingguang Chen은 “탄소 나노섬유를 시멘트에 넣어 시멘트를 강화할 수 있습니다.”라고 말했습니다. “이렇게 하면 적어도 50년 동안, 잠재적으로 그보다 더 긴 기간 동안 콘크리트에 탄소를 가두게 될 것입니다. 그때쯤이면 세계는 주로 탄소를 배출하지 않는 재생 가능 에너지원으로 전환되어야 합니다.”

보너스로, 이 공정에서는 사용 시 배출 가스가 전혀 발생하지 않는 유망한 대체 연료인 수소 가스(H2)도 생성됩니다.

탄소 포집 또는 전환
기후 변화에 대처하기 위해 CO2를 포집하거나 다른 물질로 변환한다는 아이디어는 새로운 것이 아닙니다. 하지만 단순히 CO2 가스를 보관하면 누출이 발생할 수 있습니다. 그리고 많은 CO2 전환은 즉시 사용되는 탄소 기반 화학 물질이나 연료를 생성하며, 이는 CO2를 대기 중으로 다시 방출합니다.

Chen은 “이 연구의 참신함은 CO2를 부가가치가 있지만 견고하고 유용한 형태로 변환하려고 한다는 것입니다.”라고 말했습니다.

1,000억분의 XNUMX미터 크기의 탄소 나노튜브와 나노섬유를 포함한 이러한 고체 탄소 소재는 강도, 열 및 전기 전도성을 비롯한 많은 매력적인 특성을 가지고 있습니다. 그러나 이산화탄소에서 탄소를 추출하여 이러한 미세한 구조로 조립하는 것은 간단한 문제가 아닙니다. 직접적인 열 구동 공정 중 하나는 섭씨 XNUMX도가 넘는 온도가 필요합니다.

Chen은 “대규모 CO2 완화는 매우 비현실적입니다.”라고 말했습니다. "반대로, 우리는 훨씬 더 실용적이고 산업적으로 달성 가능한 온도인 약 섭씨 400도에서 발생할 수 있는 공정을 발견했습니다."

탠덤 2단계
비결은 반응을 여러 단계로 나누고 두 가지 유형의 촉매, 즉 분자가 더 쉽게 결합하고 반응할 수 있게 해주는 물질을 사용하는 것이었습니다.

“반응을 여러 하위 반응 단계로 분리하면 다양한 종류의 에너지 입력과 촉매를 사용하여 반응의 각 부분을 작동시키는 것을 고려할 수 있습니다.”라고 논문의 주저자인 Brookhaven 연구소와 컬럼비아 연구 과학자 Zhenhua Xie가 말했습니다.

과학자들은 일산화탄소(CO)가 탄소나노섬유(CNF)를 만드는 데 CO2보다 훨씬 더 나은 출발 물질이라는 사실을 깨닫고 시작했습니다. 그런 다음 그들은 CO2에서 CO를 생성하는 가장 효율적인 방법을 찾기 위해 역추적했습니다.

그들의 그룹의 초기 연구에서는 탄소에 지지된 팔라듐으로 만들어진 상업적으로 이용 가능한 전기촉매를 사용하도록 방향을 잡았습니다. 전기촉매는 전류를 사용하여 화학 반응을 유도합니다. 전자와 양성자가 흐르는 경우 촉매는 CO2와 물(H2O)을 모두 CO와 H2로 분해합니다.

두 번째 단계에서 과학자들은 철-코발트 합금으로 만들어진 열 활성화 열촉매를 사용했습니다. 이는 섭씨 400도 정도의 온도에서 작동하는데, 이는 CO2를 CNF로 직접 변환하는 데 필요한 것보다 훨씬 온화합니다. 그들은 또한 약간의 금속 코발트를 추가하면 탄소 나노섬유의 형성이 크게 향상된다는 사실도 발견했습니다.

Chen은 “전기촉매와 열촉매를 결합함으로써 두 공정만으로는 달성할 수 없는 일을 달성하기 위해 이 직렬 공정을 사용하고 있습니다.”라고 말했습니다.

촉매 특성화
이러한 촉매가 어떻게 작동하는지 자세히 알아보기 위해 과학자들은 광범위한 실험을 수행했습니다. 여기에는 전산 모델링 연구, QAS(Quick X-ray Absorption and Scattering) 및 ISS(Inner-Shell Spectroscopy) 빔라인을 사용하는 Brookhaven Lab의 NSLS-II(National 싱크로트론 광원 II)의 물리적 및 화학적 특성화 연구 및 현미경 이미징이 포함되었습니다. 기능성 나노물질 연구실(CFN) 센터의 전자현미경 시설에서.

모델링 측면에서 과학자들은 "밀도 함수 이론"(DFT) 계산을 사용하여 활성 화학 환경과 상호 작용할 때 촉매의 원자 배열 및 기타 특성을 분석했습니다.

이러한 계산을 주도한 Brookhaven 화학 부서의 공동 저자인 Ping Liu는 “우리는 반응 조건에서 촉매의 안정한 단계가 무엇인지 결정하기 위해 구조를 조사하고 있습니다.”라고 설명했습니다. “우리는 활성 부위와 이러한 부위가 반응 중간체와 어떻게 결합하는지 살펴보고 있습니다. 한 단계에서 다른 단계로의 장벽 또는 전이 상태를 결정함으로써 우리는 반응 중에 촉매가 어떻게 기능하는지 정확히 알 수 있습니다.”

NSLS-II의 X선 회절 및 X선 흡수 실험은 반응 중에 촉매가 물리적, 화학적으로 어떻게 변화하는지 추적했습니다. 예를 들어, 싱크로트론 X-선은 전류의 존재가 촉매의 금속 팔라듐을 첫 번째 반응 단계에서 H2와 CO를 모두 생성하는 데 핵심적인 금속인 팔라듐 수소화물로 변환하는 방법을 보여주었습니다.

두 번째 단계에서는 "우리는 반응 조건 하에서 철-코발트 시스템의 구조가 무엇인지, 그리고 철-코발트 촉매를 최적화하는 방법을 알고 싶었습니다"라고 Xie는 말했습니다. X선 실험을 통해 철과 코발트의 합금과 추가 금속 코발트가 모두 존재하고 CO를 탄소 나노섬유로 전환하는 데 필요하다는 사실이 확인되었습니다.

DFT 계산이 프로세스를 설명하는 데 도움이 된 Liu는 "두 가지가 순차적으로 함께 작동합니다"라고 말했습니다.

“우리 연구에 따르면 합금의 코발트-철 부위는 일산화탄소의 CO 결합을 끊는 데 도움이 됩니다. 이는 원자 탄소를 탄소 나노섬유를 구축하기 위한 소스로 사용할 수 있게 만듭니다. 그런 다음 탄소 원자를 연결하는 C-C 결합의 형성을 촉진하기 위해 여분의 코발트가 존재합니다.”라고 그녀는 설명했습니다.

재활용 가능, 탄소 배출 감소
CFN에서 수행된 투과전자현미경(TEM) 분석은 촉매 유무에 관계없이 탄소 나노섬유 내의 형태, 결정 구조 및 원소 분포를 밝혀냈다고 CFN 과학자이자 연구 공동 저자인 황수연이 말했습니다.

이미지는 탄소 나노섬유가 성장함에 따라 촉매가 표면에서 밀려 올라오는 것을 보여줍니다. 이는 촉매 금속을 재활용하는 것을 쉽게 만든다고 Chen은 말했습니다.

“우리는 탄소나노섬유를 파괴하지 않고 금속을 침출시키기 위해 산을 사용합니다. 그래서 금속을 농축하고 재활용하여 다시 촉매로 사용할 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다.

이러한 촉매 재활용의 용이성, 촉매의 상업적 이용 가능성, 두 번째 반응을 위한 상대적으로 온화한 반응 조건은 모두 공정과 관련된 에너지 및 기타 비용에 대한 유리한 평가에 기여한다고 연구진은 말했습니다.

Chen은 "실용적인 적용을 위해서는 CO2 발자국 분석과 촉매의 재활용성, 두 가지 모두 매우 중요합니다."라고 말했습니다. "우리의 기술 결과와 기타 분석은 이 직렬 전략이 재생 가능한 H2를 생산하는 동시에 CO2를 귀중한 고체 탄소 제품으로 탈탄소화할 수 있는 문을 열어준다는 것을 보여줍니다."

이러한 프로세스가 재생 가능 에너지로 구동된다면 그 결과는 실제로 탄소 배출이 적고 CO2 완화를 위한 새로운 기회가 열릴 것입니다.

이 연구는 DOE Office of Science(BES)의 지원을 받았습니다. DFT 계산은 CFN과 DOE 로렌스 버클리 국립 연구소의 NERSC(National Energy Research Scientific Computing Center)의 계산 리소스를 사용하여 수행되었습니다. NSLS-II, CFN 및 NERSC는 DOE Office of Science 사용자 시설입니다.

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연락처 :
카렌 맥널티 월시
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