Nanoteknologi nå - Pressemelding: Katalytisk kombinasjon konverterer CO2 til fast karbon Nanofibre: Tandem elektrokatalytisk-termokatalytisk konvertering kan bidra til å kompensere utslipp av potente drivhusgasser ved å låse karbon bort i et nyttig materiale

Publisert av Platon

Følgere: 0

Hjemprodukt > Press > Katalytisk kombinasjon konverterer CO2 til faste karbon nanofibre: Tandem elektrokatalytisk-termokatalytisk konvertering kan bidra til å kompensere utslipp av potent klimagass ved å låse karbon bort i et nyttig materiale

Forskere har utviklet en strategi for å omdanne karbondioksid (CO2) fra atmosfæren til verdifulle nanofibre. Prosessen bruker tandem elektrokatalytiske (blå ring) og termokatalytiske (oransje ring) reaksjoner for å konvertere CO2 (blågrønne og sølv molekyler) pluss vann (lilla og blågrønne) til "fikserte" karbon nanofibre (sølv), og produserer hydrogengass (H2, lilla). ) som et gunstig biprodukt. Karbonnanofibrene kan brukes til å styrke byggematerialer som sement og låse bort karbon i flere tiår. KREDITT (Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory og 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.

KREDITT
(Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory og Columbia University; Erwei Huang/Brookhaven National Laboratory)

Abstrakt:
Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory og Columbia University har utviklet en måte å omdanne karbondioksid (CO2), en potent drivhusgass, til karbon-nanofibre, materialer med et bredt spekter av unike egenskaper og mange potensielle langtids- begrepsbruk. Strategien deres bruker tandem elektrokjemiske og termokjemiske reaksjoner som kjøres ved relativt lave temperaturer og omgivelsestrykk. Som forskerne beskriver i tidsskriftet Nature Catalysis, kan denne tilnærmingen med hell låse karbon bort i en nyttig fast form for å kompensere eller til og med oppnå negative karbonutslipp.

Katalytisk kombinasjon konverterer CO2 til faste karbon nanofibre: Tandem elektrokatalytisk-termokatalytisk konvertering kan bidra til å kompensere for utslipp av potent klimagass ved å låse karbon bort i et nyttig materiale

Upton, NY | Lagt ut 12. januar 2024

"Du kan legge karbon-nanofibrene i sement for å styrke sementen," sa Jingguang Chen, professor i kjemiteknikk ved Columbia med en felles ansettelse ved Brookhaven Lab som ledet forskningen. "Det ville låse karbonet bort i betong i minst 50 år, potensielt lenger. Da bør verden flyttes til primært fornybare energikilder som ikke slipper ut karbon."

Som en bonus produserer prosessen også hydrogengass (H2), et lovende alternativt drivstoff som, når det brukes, skaper nullutslipp.

Fange eller omdanne karbon
Ideen om å fange CO2 eller konvertere den til andre materialer for å bekjempe klimaendringer er ikke ny. Men bare lagring av CO2-gass kan føre til lekkasjer. Og mange CO2-konverteringer produserer karbonbaserte kjemikalier eller drivstoff som brukes med en gang, som frigjør CO2 rett tilbake til atmosfæren.

"Nyheten i dette arbeidet er at vi prøver å konvertere CO2 til noe som er verdiskapende, men i en solid, nyttig form," sa Chen.

Slike solide karbonmaterialer - inkludert karbon-nanorør og nanofibre med dimensjoner som måler milliarder av en meter - har mange tiltalende egenskaper, inkludert styrke og termisk og elektrisk ledningsevne. Men det er ingen enkel sak å utvinne karbon fra karbondioksid og få det til å sette sammen i disse finskala strukturene. En direkte, varmedrevet prosess krever temperaturer over 1,000 grader Celsius.

"Det er veldig urealistisk for CO2-reduksjon i stor skala," sa Chen. "Derimot fant vi en prosess som kan skje ved omtrent 400 grader Celsius, som er en mye mer praktisk, industrielt oppnåelig temperatur."

Tandem to-trinns
Trikset var å dele reaksjonen i trinn og bruke to forskjellige typer katalysatorer - materialer som gjør det lettere for molekyler å komme sammen og reagere.

"Hvis du kobler fra reaksjonen til flere underreaksjonstrinn, kan du vurdere å bruke forskjellige typer energitilførsel og katalysatorer for å få hver del av reaksjonen til å fungere," sa Brookhaven Lab og Columbia-forsker Zhenhua Xie, hovedforfatter på papiret.

Forskerne startet med å innse at karbonmonoksid (CO) er et mye bedre utgangsmateriale enn CO2 for å lage karbon nanofibre (CNF). Deretter gikk de tilbake for å finne den mest effektive måten å generere CO fra CO2.

Tidligere arbeid fra gruppen deres styrte dem til å bruke en kommersielt tilgjengelig elektrokatalysator laget av palladium båret på karbon. Elektrokatalysatorer driver kjemiske reaksjoner ved hjelp av en elektrisk strøm. I nærvær av strømmende elektroner og protoner deler katalysatoren både CO2 og vann (H2O) i CO og H2.

For det andre trinnet vendte forskerne seg til en varmeaktivert termokatalysator laget av en jern-koboltlegering. Den opererer ved temperaturer rundt 400 grader Celsius, betydelig mildere enn en direkte CO2-til-CNF-konvertering ville kreve. De oppdaget også at tilsetning av litt ekstra metallisk kobolt i stor grad forbedrer dannelsen av karbonnanofibrene.

"Ved å koble elektrokatalyse og termokatalyse, bruker vi denne tandemprosessen for å oppnå ting som ikke kan oppnås med noen av prosessene alene," sa Chen.

Katalysatorkarakterisering
For å finne detaljene om hvordan disse katalysatorene fungerer, utførte forskerne et bredt spekter av eksperimenter. Disse inkluderte beregningsmodelleringsstudier, fysiske og kjemiske karakteriseringsstudier ved Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – ved bruk av Quick X-ray Absorption and Scattering (QAS) og Inner-Shell Spectroscopy (ISS) beamlines – og mikroskopisk avbildning ved elektronmikroskopi-anlegget ved laboratoriets senter for funksjonelle nanomaterialer (CFN).

På modelleringsfronten brukte forskerne "density functional theory" (DFT) beregninger for å analysere atomarrangementene og andre egenskaper til katalysatorene når de samhandlet med det aktive kjemiske miljøet.

"Vi ser på strukturene for å bestemme hva som er de stabile fasene til katalysatoren under reaksjonsbetingelser," forklarte studiemedforfatter Ping Liu fra Brookhavens kjemiavdeling som ledet disse beregningene. "Vi ser på aktive nettsteder og hvordan disse sidene knytter seg til reaksjonsmellomproduktene. Ved å bestemme barrierene, eller overgangstilstandene, fra ett trinn til et annet, lærer vi nøyaktig hvordan katalysatoren fungerer under reaksjonen."

Røntgendiffraksjons- og røntgenabsorpsjonseksperimenter ved NSLS-II sporet hvordan katalysatorene endres fysisk og kjemisk under reaksjonene. For eksempel avslørte synkrotronrøntgenstråler hvordan tilstedeværelsen av elektrisk strøm forvandler metallisk palladium i katalysatoren til palladiumhydrid, et metall som er nøkkelen til å produsere både H2 og CO i det første reaksjonsstadiet.

For den andre fasen, "Vi ønsket å vite hva som er strukturen til jern-kobolt-systemet under reaksjonsforhold og hvordan man kan optimalisere jern-kobolt-katalysatoren," sa Xie. Røntgeneksperimentene bekreftet at både en legering av jern og kobolt pluss litt ekstra metallisk kobolt er tilstede og nødvendig for å omdanne CO til karbon nanofibre.

"De to jobber sammen sekvensielt," sa Liu, hvis DFT-beregninger hjalp til med å forklare prosessen.

"I følge vår studie hjelper kobolt-jernstedene i legeringen til å bryte C-O-bindingene til karbonmonoksid. Det gjør atomært karbon tilgjengelig for å tjene som kilde for bygging av karbon nanofibre. Da er den ekstra kobolten der for å lette dannelsen av C-C-bindingene som forbinder karbonatomene,» forklarte hun.

Resirkuleringsklar, karbon-negativ
"Transmisjonselektronmikroskopi (TEM)-analyse utført ved CFN avslørte morfologiene, krystallstrukturene og elementærfordelingen i karbon-nanofibrene både med og uten katalysatorer," sa CFN-forsker og studiemedforfatter Sooyeon Hwang.

Bildene viser at når karbon-nanofibrene vokser, blir katalysatoren presset opp og bort fra overflaten. Det gjør det enkelt å resirkulere det katalytiske metallet, sa Chen.

"Vi bruker syre for å lekke metallet ut uten å ødelegge karbon nanofiberen, slik at vi kan konsentrere metallene og resirkulere dem for å bli brukt som katalysator igjen," sa han.

Denne enkle katalysatorresirkulering, kommersiell tilgjengelighet av katalysatorene og relativt milde reaksjonsbetingelser for den andre reaksjonen bidrar alle til en gunstig vurdering av energien og andre kostnader forbundet med prosessen, sa forskerne.

"For praktiske bruksområder er begge veldig viktige - CO2-fotavtrykkanalysen og resirkulerbarheten til katalysatoren," sa Chen. "Våre tekniske resultater og disse andre analysene viser at denne tandemstrategien åpner en dør for avkarbonisering av CO2 til verdifulle faste karbonprodukter samtidig som den produserer fornybar H2."

Hvis disse prosessene er drevet av fornybar energi, vil resultatene være virkelig karbonnegative, og åpne nye muligheter for CO2-reduksjon.

Denne forskningen ble støttet av DOE Office of Science (BES). DFT-beregningene ble utført ved bruk av beregningsressurser ved CFN og ved National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) ved DOEs Lawrence Berkeley National Laboratory. NSLS-II, CFN og NERSC er DOE Office of Science brukerfasiliteter.

####

Om DOE/Brookhaven National Laboratory
Brookhaven National Laboratory støttes av Office of Science ved U.S. Department of Energy. The Office of Science er den største enkeltstående støttespilleren for grunnforskning innen fysiske vitenskaper i USA og jobber med å løse noen av de mest presserende utfordringene i vår tid. For mer informasjon, besøk science.energy.gov.

Følg @BrookhavenLab på sosiale medier. Finn oss på Instagram, LinkedIn, Twitter og Facebook.

For mer informasjon, klikk her.

Kontakter:
Karen McNulty Walsh
DOE/Brookhaven National Laboratory
Kontor: 631-344-8350

Hvis du har en kommentar, vær så snill Kontakt oss.

Utstedere av nyhetsutgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlig for nøyaktigheten av innholdet.

Bokmerke: