Nanotehnologie acum - Comunicat de presă: Combo catalitic transformă CO2 în nanofibre de carbon solide: conversia electrocatalitică-termocatalitică în tandem ar putea ajuta la compensarea emisiilor de gaze cu efect de seră puternice prin blocarea carbonului într-un material util

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Acasă > Anunturi > Combinația catalitică transformă CO2 în nanofibre de carbon solide: conversia electrocatalitică-termocatalitică în tandem ar putea ajuta la compensarea emisiilor de gaze puternice cu efect de seră prin blocarea carbonului într-un material util

Oamenii de știință au conceput o strategie pentru transformarea dioxidului de carbon (CO2) din atmosferă în nanofibre de carbon valoroase. Procesul folosește reacții tandem electrocatalitice (inel albastru) și termocatalitic (inel portocaliu) pentru a converti CO2 (molecule de argint și argint) plus apă (violet și verdeață) în nanofibre de carbon „fixe” (argintiu), producând hidrogen gazos (H2, violet). ) ca produs secundar benefic. Nanofibrele de carbon ar putea fi folosite pentru a întări materiale de construcție, cum ar fi cimentul și pentru a bloca carbonul timp de decenii.

CREDIT
(Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory și Universitatea Columbia; Erwei Huang/Brookhaven National Laboratory)

Rezumat:
Oamenii de știință de la Laboratorul Național Brookhaven al Departamentului de Energie al SUA (DOE) și de la Universitatea Columbia au dezvoltat o modalitate de a transforma dioxidul de carbon (CO2), un gaz cu efect de seră puternic, în nanofibre de carbon, materiale cu o gamă largă de proprietăți unice și multe potențiale de lungă durată. utilizări ale termenului. Strategia lor folosește reacții electrochimice și termochimice în tandem care se desfășoară la temperaturi și presiune ambientală relativ scăzute. După cum descriu oamenii de știință în revista Nature Catalysis, această abordare ar putea bloca cu succes carbonul într-o formă solidă utilă pentru a compensa sau chiar a obține emisii negative de carbon.

Combinația catalitică transformă CO2 în nanofibre de carbon solide: conversia electrocatalitică-termocatalitică în tandem ar putea ajuta la compensarea emisiilor de gaze puternice cu efect de seră prin blocarea carbonului într-un material util

Upton, NY | Postat pe 12 ianuarie 2024

„Puteți pune nanofibrele de carbon în ciment pentru a întări cimentul”, a spus Jingguang Chen, profesor de inginerie chimică la Columbia, cu o numire comună la Brookhaven Lab, care a condus cercetarea. „Asta ar bloca carbonul în beton pentru cel puțin 50 de ani, potențial mai mult. Până atunci, lumea ar trebui să fie mutată către surse de energie în principal regenerabile, care nu emit carbon.”

Ca bonus, procesul produce și hidrogen gazos (H2), un combustibil alternativ promițător care, atunci când este utilizat, creează zero emisii.

Captarea sau transformarea carbonului
Ideea de a capta CO2 sau de a-l converti în alte materiale pentru a combate schimbările climatice nu este nouă. Dar simpla stocare a gazului CO2 poate duce la scurgeri. Și multe conversii de CO2 produc substanțe chimice pe bază de carbon sau combustibili care sunt utilizați imediat, care eliberează CO2 imediat înapoi în atmosferă.

„Noutatea acestei lucrări este că încercăm să transformăm CO2 în ceva cu valoare adăugată, dar într-o formă solidă, utilă”, a spus Chen.

Astfel de materiale de carbon solid – inclusiv nanotuburi de carbon și nanofibre cu dimensiuni care măsoară miliarde de metru – au multe proprietăți atrăgătoare, inclusiv rezistență și conductivitate termică și electrică. Dar nu este o chestiune simplă să extragi carbon din dioxid de carbon și să-l asamblați în aceste structuri la scară fină. Un proces direct, condus de căldură, necesită temperaturi mai mari de 1,000 de grade Celsius.

„Este foarte nerealist pentru reducerea CO2 la scară largă”, a spus Chen. „În contrast, am găsit un proces care poate avea loc la aproximativ 400 de grade Celsius, care este o temperatură mult mai practică, realizabilă industrial.”

Tandemul în doi pași
Trucul a fost să împărțim reacția în etape și să folosim două tipuri diferite de catalizatori - materiale care facilitează ca moleculele să se reunească și să reacționeze.

„Dacă decuplați reacția în mai mulți pași de subreacție, puteți lua în considerare utilizarea diferitelor tipuri de aport de energie și catalizatori pentru a face ca fiecare parte a reacției să funcționeze”, a spus cercetătorul de la Brookhaven Lab și Columbia, Zhenhua Xie, autorul principal al lucrării.

Oamenii de știință au început prin a realiza că monoxidul de carbon (CO) este un material de pornire mult mai bun decât CO2 pentru fabricarea nanofibrelor de carbon (CNF). Apoi au dat înapoi pentru a găsi cea mai eficientă modalitate de a genera CO din CO2.

Lucrările anterioare ale grupului lor i-au determinat să folosească un electrocatalizator disponibil comercial, fabricat din paladiu sprijinit pe carbon. Electrocatalizatorii antrenează reacții chimice folosind un curent electric. În prezența electronilor și protonilor care curg, catalizatorul împarte atât CO2, cât și apa (H2O) în CO și H2.

Pentru a doua etapă, oamenii de știință au apelat la un termocatalizator activat la căldură, realizat dintr-un aliaj fier-cobalt. Funcționează la temperaturi de aproximativ 400 de grade Celsius, mult mai blând decât ar necesita o conversie directă de CO2 în CNF. De asemenea, au descoperit că adăugarea unui pic de cobalt metalic suplimentar îmbunătățește foarte mult formarea nanofibrelor de carbon.

„Prin cuplarea electrocatalizei și termocatalizei, folosim acest proces în tandem pentru a realiza lucruri care nu pot fi realizate numai prin niciunul dintre procese”, a spus Chen.

Caracterizarea catalizatorului
Pentru a descoperi detaliile modului în care acești catalizatori funcționează, oamenii de știință au efectuat o gamă largă de experimente. Acestea au inclus studii de modelare computațională, studii de caracterizare fizică și chimică la Brookhaven Lab's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - utilizând liniile de lumină cu absorbție și împrăștiere rapidă a razelor X (QAS) și spectroscopie interioară (ISS) - și imagini microscopice la instalația de microscopie electronică de la Centrul pentru nanomateriale funcționale (CFN) al laboratorului.

În ceea ce privește modelarea, oamenii de știință au folosit calcule „teoria funcțională a densității” (DFT) pentru a analiza aranjamentele atomice și alte caracteristici ale catalizatorilor atunci când interacționează cu mediul chimic activ.

„Ne uităm la structuri pentru a determina care sunt fazele stabile ale catalizatorului în condiții de reacție”, a explicat coautorul studiului, Ping Liu, de la Brookhaven’s Chemistry Division, care a condus aceste calcule. „Ne uităm la locurile active și la modul în care aceste site-uri se leagă de intermediarii de reacție. Prin determinarea barierelor, sau a stărilor de tranziție, de la un pas la altul, aflăm exact cum funcționează catalizatorul în timpul reacției.”

Experimentele de difracție de raze X și absorbție de raze X la NSLS-II au urmărit modul în care catalizatorii se schimbă fizic și chimic în timpul reacțiilor. De exemplu, razele X sincrotron au dezvăluit modul în care prezența curentului electric transformă paladiul metalic din catalizator în hidrură de paladiu, un metal care este cheia pentru producerea atât de H2 cât și de CO în prima etapă de reacție.

Pentru a doua etapă, „Am vrut să știm care este structura sistemului fier-cobalt în condiții de reacție și cum să optimizăm catalizatorul fier-cobalt”, a spus Xie. Experimentele cu raze X au confirmat că atât un aliaj de fier și cobalt, plus un cobalt metalic suplimentar sunt prezente și sunt necesare pentru a transforma CO în nanofibre de carbon.

„Cei doi lucrează împreună secvenţial”, a spus Liu, ale cărui calcule DFT au ajutat la explicarea procesului.

„Conform studiului nostru, locurile cobalt-fier din aliaj ajută la ruperea legăturilor C-O ale monoxidului de carbon. Acest lucru face carbonul atomic disponibil pentru a servi drept sursă pentru construirea nanofibrelor de carbon. Apoi, cobaltul suplimentar este acolo pentru a facilita formarea legăturilor C-C care leagă atomii de carbon”, a explicat ea.

Gata pentru reciclare, cu carbon negativ
„Analiza de microscopie electronică de transmisie (TEM) efectuată la CFN a dezvăluit morfologiile, structurile cristaline și distribuțiile elementare din nanofibrele de carbon atât cu catalizatori, cât și fără catalizatori”, a declarat Sooyeon Hwang, om de știință CFN și coautor al studiului.

Imaginile arată că, pe măsură ce nanofibrele de carbon cresc, catalizatorul este împins în sus și departe de suprafață. Acest lucru facilitează reciclarea metalului catalitic, a spus Chen.

„Folosim acid pentru a îndepărta metalul fără a distruge nanofibrele de carbon, astfel încât să putem concentra metalele și să le reciclam pentru a fi folosite din nou ca catalizator”, a spus el.

Această ușurință de reciclare a catalizatorului, disponibilitatea comercială a catalizatorilor și condițiile de reacție relativ blânde pentru a doua reacție, toate contribuie la o evaluare favorabilă a energiei și a altor costuri asociate procesului, au spus cercetătorii.

„Pentru aplicații practice, ambele sunt cu adevărat importante – analiza amprentei de CO2 și reciclabilitatea catalizatorului”, a spus Chen. „Rezultatele noastre tehnice și aceste alte analize arată că această strategie în tandem deschide o ușă pentru decarbonizarea CO2 în produse valoroase din carbon solid, producând în același timp H2 regenerabil.”

Dacă aceste procese sunt conduse de energie regenerabilă, rezultatele ar fi cu adevărat negative din punct de vedere al emisiilor de carbon, deschizând noi oportunități pentru atenuarea CO2.

Această cercetare a fost susținută de Biroul de Știință al DOE (BES). Calculele DFT au fost efectuate folosind resurse de calcul la CFN și la Centrul Național de Calcul Științific de Cercetare Energetică (NERSC) la Laboratorul Național Lawrence Berkeley al DOE. NSLS-II, CFN și NERSC sunt facilități pentru utilizatori DOE Office of Science.

####

Despre DOE/Brookhaven National Laboratory
Brookhaven National Laboratory este susținut de Biroul de Știință al Departamentului de Energie al SUA. Office of Science este cel mai mare susținător al cercetării de bază în științe fizice din Statele Unite și lucrează pentru a aborda unele dintre cele mai presante provocări ale timpului nostru. Pentru mai multe informații, vizitați science.energy.gov.

Urmărește @BrookhavenLab pe rețelele sociale. Găsiți-ne pe Instagram, LinkedIn, Twitter și Facebook.

Pentru mai multe informații, faceți clic pe aici

Contacte:
Karen McNulty Walsh
DOE/Laboratorul Național Brookhaven
Birou: 631-344-8350

Dacă aveți un comentariu, vă rog Contact ne.

Emitenții de comunicate de știri, nu 7th Wave, Inc. sau Nanotechnology Now, sunt singuri responsabili pentru acuratețea conținutului.

Bookmark: