Nanotehnologija zdaj - Sporočilo za javnost: Katalitični Combo pretvori CO2 v trdna ogljikova nanovlakna: Tandemska elektrokatalitsko-termokatalitska pretvorba bi lahko pomagala izravnati emisije močnih toplogrednih plinov z zapiranjem ogljika v koristnem materialu

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Domov > Pritisnite > Katalitska kombinacija pretvori CO2 v trdna ogljikova nanovlakna: tandemska elektrokatalitsko-termokatalitska pretvorba bi lahko pomagala izravnati emisije močnih toplogrednih plinov z zaklepanjem ogljika v uporabnem materialu

Znanstveniki so razvili strategijo za pretvorbo ogljikovega dioksida (CO2) iz ozračja v dragocena ogljikova nanovlakna. Postopek uporablja tandemske elektrokatalitske (modri obroč) in termokatalitske (oranžen obroč) reakcije za pretvorbo CO2 (team in srebrne molekule) ter vodo (vijolična in rjava) v "fiksna" ogljikova nanovlakna (srebrna), pri čemer nastaja vodikov plin (H2, vijoličen ) kot koristen stranski proizvod. Ogljikova nanovlakna bi lahko uporabili za krepitev gradbenih materialov, kot je cement, in zaklepanje ogljika za desetletja. KREDIT (Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory in 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.

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

Povzetek:
Znanstveniki Nacionalnega laboratorija Brookhaven Ministrstva za energijo ZDA (DOE) in Univerze Columbia so razvili način za pretvorbo ogljikovega dioksida (CO2), močnega toplogrednega plina, v ogljikova nanovlakna, materiale s širokim spektrom edinstvenih lastnosti in številnimi potencialnimi dolgotrajnimi učinki. uporabe izrazov. Njihova strategija uporablja tandemske elektrokemične in termokemične reakcije, ki potekajo pri relativno nizkih temperaturah in tlaku okolja. Kot opisujejo znanstveniki v reviji Nature Catalysis, bi ta pristop lahko uspešno zaklenil ogljik v uporabni trdni obliki, da bi izravnal ali celo dosegel negativne emisije ogljika.

Katalitska kombinacija pretvori CO2 v trdna ogljikova nanovlakna: tandemska elektrokatalitsko-termokatalitska pretvorba bi lahko pomagala izravnati emisije močnih toplogrednih plinov z zaklepanjem ogljika v uporabnem materialu

Upton, NY | Objavljeno 12. januarja 2024

"Ogljikova nanovlakna lahko vstavite v cement, da okrepite cement," je dejal Jingguang Chen, profesor kemijskega inženirstva na Columbia s skupnim imenovanjem v Brookhaven Lab, ki je vodil raziskavo. "To bi zaklenilo ogljik v betonu za vsaj 50 let, potencialno dlje. Do takrat bi se moral svet preusmeriti predvsem na obnovljive vire energije, ki ne izpuščajo ogljika.«

Poleg tega postopek proizvaja tudi vodikov plin (H2), obetavno alternativno gorivo, ki ob uporabi ne povzroča nobenih emisij.

Zajem ali pretvorba ogljika
Zamisel o zajemanju CO2 ali njegovi pretvorbi v druge materiale za boj proti podnebnim spremembam ni nova. Toda preprosto shranjevanje plina CO2 lahko povzroči puščanje. Številne pretvorbe CO2 proizvajajo kemikalije ali goriva na osnovi ogljika, ki se uporabijo takoj, kar sprošča CO2 nazaj v ozračje.

"Novost tega dela je, da poskušamo CO2 pretvoriti v nekaj, kar ima dodano vrednost, vendar v trdni, uporabni obliki," je dejal Chen.

Takšni trdni ogljikovi materiali – vključno z ogljikovimi nanocevkami in nanovlakni z dimenzijami, ki merijo milijarde metrov – imajo številne privlačne lastnosti, vključno s trdnostjo ter toplotno in električno prevodnostjo. Vendar ni enostavno izločiti ogljik iz ogljikovega dioksida in pripraviti, da se sestavi v te majhne strukture. En neposredni proces, ki ga poganja toplota, zahteva temperature nad 1,000 stopinj Celzija.

"To je zelo nerealno za obsežno zmanjšanje emisij CO2," je dejal Chen. "Nasprotno pa smo našli proces, ki se lahko pojavi pri približno 400 stopinjah Celzija, kar je veliko bolj praktična in industrijsko dosegljiva temperatura."

Dvostopenjski tandem
Trik je bil razdeliti reakcijo na stopnje in uporabiti dve različni vrsti katalizatorjev – materialov, ki olajšajo združevanje molekul in reakcijo.

"Če ločite reakcijo na več podreakcijskih korakov, lahko razmislite o uporabi različnih vrst vnosa energije in katalizatorjev, da bo vsak del reakcije deloval," je povedal raziskovalec Brookhaven Lab in Columbia Zhenhua Xie, glavni avtor prispevka.

Znanstveniki so začeli z ugotovitvijo, da je ogljikov monoksid (CO) veliko boljši začetni material kot CO2 za izdelavo ogljikovih nanovlaken (CNF). Nato so se vrnili nazaj, da bi našli najučinkovitejši način za ustvarjanje CO iz CO2.

Prejšnje delo njihove skupine jih je usmerilo k uporabi komercialno dostopnega elektrokatalizatorja iz paladija na ogljiku. Elektrokatalizatorji poganjajo kemične reakcije z uporabo električnega toka. V prisotnosti tekočih elektronov in protonov katalizator razdeli CO2 in vodo (H2O) na CO in H2.

Za drugi korak so se znanstveniki obrnili na toplotno aktiviran termokatalizator iz zlitine železa in kobalta. Deluje pri temperaturah okoli 400 stopinj Celzija, kar je bistveno nižje, kot bi zahtevala neposredna pretvorba CO2 v CNF. Odkrili so tudi, da dodajanje malo dodatnega kovinskega kobalta močno poveča tvorbo ogljikovih nanovlaken.

"S povezovanjem elektrokatalize in termokatalize uporabljamo ta tandemski proces za doseganje stvari, ki jih ni mogoče doseči z nobenim samim postopkom," je dejal Chen.

Karakterizacija katalizatorja
Da bi odkrili podrobnosti delovanja teh katalizatorjev, so znanstveniki izvedli številne poskuse. Te so vključevale študije računalniškega modeliranja, študije fizikalne in kemijske karakterizacije na Nacionalnem sinhrotronskem svetlobnem viru II (NSLS-II) laboratorija Brookhaven – z uporabo žarkov hitre absorpcije in sipanja rentgenskih žarkov (QAS) in spektroskopije notranje lupine (ISS) – ter mikroskopsko slikanje v objektu za elektronsko mikroskopijo v laboratorijskem centru za funkcionalne nanomateriale (CFN).

Na sprednji strani modeliranja so znanstveniki uporabili izračune "teorije funkcionalnosti gostote" (DFT) za analizo atomskih ureditev in drugih značilnosti katalizatorjev pri interakciji z aktivnim kemičnim okoljem.

"Preučujemo strukture, da bi ugotovili, katere so stabilne faze katalizatorja v reakcijskih pogojih," je pojasnil soavtor študije Ping Liu iz oddelka za kemijo Brookhaven, ki je vodil te izračune. »Iščemo aktivna mesta in kako se ta mesta povezujejo z reakcijskimi intermediati. Z določanjem ovir ali prehodnih stanj iz enega koraka v drugega se natančno naučimo, kako katalizator deluje med reakcijo.«

Eksperimenti rentgenske difrakcije in absorpcije rentgenskih žarkov na NSLS-II so spremljali, kako se katalizatorji med reakcijami fizično in kemično spreminjajo. Sinhrotronski rentgenski žarki so na primer razkrili, kako prisotnost električnega toka pretvori kovinski paladij v katalizatorju v paladijev hidrid, kovino, ki je ključna za proizvodnjo H2 in CO v prvi reakcijski fazi.

Za drugo stopnjo: "Želeli smo vedeti, kakšna je struktura sistema železo-kobalt v reakcijskih pogojih in kako optimizirati katalizator železo-kobalt," je dejal Xie. Rentgenski poskusi so potrdili, da sta zlitina železa in kobalta ter nekaj dodatnega kovinskega kobalta prisotna in potrebna za pretvorbo CO v ogljikova nanovlakna.

"Dva delata skupaj zaporedno," je dejal Liu, čigar izračuni DFT so pomagali razložiti postopek.

»Glede na našo študijo mesta kobalt-železo v zlitini pomagajo prekiniti vezi CO ogljikovega monoksida. Zaradi tega je atomski ogljik na voljo kot vir za izdelavo ogljikovih nanovlaken. Potem je dodatni kobalt tam, da olajša tvorbo C-C vezi, ki povezujejo ogljikove atome,« je pojasnila.

Pripravljen na recikliranje, negativen na ogljik
"Analiza s transmisijsko elektronsko mikroskopijo (TEM), izvedena na CFN, je razkrila morfologije, kristalne strukture in porazdelitev elementov znotraj ogljikovih nanovlaken s katalizatorji in brez njih," je povedal znanstvenik CFN in soavtor študije Sooyeon Hwang.

Slike kažejo, da ko ogljikova nanovlakna rastejo, se katalizator potisne navzgor in stran od površine. To olajša recikliranje katalitične kovine, je dejal Chen.

"Uporabljamo kislino, da kovino izlužimo, ne da bi uničili ogljikova nanovlakna, tako da lahko koncentriramo kovine in jih recikliramo, da jih ponovno uporabimo kot katalizator," je dejal.

Ta enostavnost recikliranja katalizatorja, komercialna dostopnost katalizatorjev in razmeroma blagi reakcijski pogoji za drugo reakcijo prispevajo k ugodni oceni stroškov energije in drugih stroškov, povezanih s postopkom, so povedali raziskovalci.

"Za praktično uporabo je oboje zelo pomembno - analiza CO2 odtisa in možnost recikliranja katalizatorja," je dejal Chen. "Naši tehnični rezultati in te druge analize kažejo, da ta tandemska strategija odpira vrata za razogljičenje CO2 v dragocene trdne ogljikove izdelke ob hkratni proizvodnji obnovljivega H2."

Če bi te procese poganjala obnovljiva energija, bi bili rezultati resnično ogljično negativni, kar bi odprlo nove priložnosti za zmanjšanje CO2.

To raziskavo je podprl Urad za znanost DOE (BES). Izračuni DFT so bili izvedeni z uporabo računalniških virov v CFN in v Nacionalnem raziskovalnem računalniškem centru za energijo (NERSC) v Nacionalnem laboratoriju Lawrence Berkeley DOE. NSLS-II, CFN in NERSC so uporabniške naprave Urada za znanost DOE.

####

O DOE/Nacionalnem laboratoriju Brookhaven
Nacionalni laboratorij Brookhaven podpira Urad za znanost Ministrstva za energijo ZDA. Urad za znanost je največji podpornik temeljnih raziskav v fizikalnih znanostih v Združenih državah Amerike in si prizadeva za reševanje nekaterih najbolj perečih izzivov našega časa. Za več informacij obiščite science.energy.gov.

Sledite @BrookhavenLab na družbenih medijih. Poiščite nas na Instagramu, LinkedInu, Twitterju in Facebooku.

Za več informacij kliknite tukaj

Kontakt:
Karen McNulty Walsh
DOE/Nacionalni laboratorij Brookhaven
Pisarna: 631-344-8350

Avtorske pravice © DOE/Nacionalni laboratorij Brookhaven

Če imate komentar, prosim Kontakt nas.

Izdajalci novic, ne 7th Wave, Inc. ali Nanotechnology Now, so izključno odgovorni za točnost vsebine.

Zaznamek: