Nanotechnology Now – Pressmeddelande: Katalytisk combo omvandlar CO2 till fasta kolnanofibrer: Tandem elektrokatalytisk-termokatalytisk omvandling kan hjälpa till att kompensera utsläppen av potenta växthusgaser genom att låsa bort kol i ett användbart material

Nano-teknikTidsstämpel: 15 januari 2024 11:05

Källnod: 3062601

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Hem > Presse > Katalytisk combo omvandlar CO2 till fasta kol nanofibrer: Tandem elektrokatalytisk-termokatalytisk omvandling kan hjälpa till att kompensera utsläpp av potenta växthusgaser genom att låsa bort kol i ett användbart material

Forskare har utarbetat en strategi för att omvandla koldioxid (CO2) från atmosfären till värdefulla kolnanofibrer. Processen använder tandem elektrokatalytiska (blå ring) och termokatalytiska (orange ring) reaktioner för att omvandla CO2 (grön och silver molekyler) plus vatten (lila och kricka) till "fixerade" kol nanofibrer (silver), som producerar vätgas (H2, lila) ) som en fördelaktig biprodukt. Kolnanofibrerna skulle kunna användas för att stärka byggmaterial som cement och låsa undan kol i decennier.

KREDITERA
(Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory och Columbia University; Erwei Huang/Brookhaven National Laboratory)

Sammanfattning:
Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory och Columbia University har utvecklat ett sätt att omvandla koldioxid (CO2), en potent växthusgas, till kolnanofibrer, material med ett brett spektrum av unika egenskaper och många potentiella långtids- termanvändningar. Deras strategi använder elektrokemiska och termokemiska tandemreaktioner som körs vid relativt låga temperaturer och omgivande tryck. Som forskarna beskriver i tidskriften Nature Catalysis, kan detta tillvägagångssätt framgångsrikt låsa bort kol i en användbar fast form för att kompensera eller till och med uppnå negativa koldioxidutsläpp.

Katalytisk combo omvandlar CO2 till fasta kol nanofibrer: Tandem elektrokatalytisk-termokatalytisk omvandling kan hjälpa till att kompensera utsläpp av potenta växthusgaser genom att låsa bort kol i ett användbart material

Upton, NY | Postat den 12 januari 2024

"Du kan lägga kolnanofibrerna i cement för att stärka cementen", säger Jingguang Chen, professor i kemiteknik vid Columbia med en gemensam utnämning vid Brookhaven Lab som ledde forskningen. "Det skulle låsa bort kolet i betong i minst 50 år, potentiellt längre. Då borde världen skiftas till i första hand förnybara energikällor som inte släpper ut kol."

Som en bonus producerar processen även vätgas (H2), ett lovande alternativt bränsle som, när det används, skapar nollutsläpp.

Fånga eller omvandla kol
Tanken på att fånga upp CO2 eller omvandla den till andra material för att bekämpa klimatförändringarna är inte ny. Men att bara lagra CO2-gas kan leda till läckor. Och många CO2-omvandlingar producerar kolbaserade kemikalier eller bränslen som används direkt, vilket släpper ut CO2 direkt tillbaka till atmosfären.

"Det nya med det här arbetet är att vi försöker omvandla CO2 till något som är mervärde men i en solid, användbar form," sa Chen.

Sådana fasta kolmaterial – inklusive kolnanorör och nanofibrer med dimensioner som mäter miljarddelar av en meter – har många tilltalande egenskaper, inklusive styrka och termisk och elektrisk ledningsförmåga. Men det är ingen enkel sak att utvinna kol ur koldioxid och få det att samlas i dessa finskaliga strukturer. En direkt, värmedriven process kräver temperaturer över 1,000 XNUMX grader Celsius.

"Det är väldigt orealistiskt för storskalig CO2-reduktion," sa Chen. "Däremot hittade vi en process som kan ske vid cirka 400 grader Celsius, vilket är en mycket mer praktisk, industriellt uppnåbar temperatur."

Tandem tvåsteg
Tricket var att dela upp reaktionen i steg och att använda två olika typer av katalysatorer - material som gör det lättare för molekyler att komma samman och reagera.

"Om du kopplar bort reaktionen i flera underreaktionssteg kan du överväga att använda olika typer av energitillförsel och katalysatorer för att få varje del av reaktionen att fungera", säger Brookhaven Lab och Columbia-forskaren Zhenhua Xie, huvudförfattare på tidningen.

Forskarna började med att inse att kolmonoxid (CO) är ett mycket bättre utgångsmaterial än CO2 för att göra kolnanofibrer (CNF). Sedan backade de för att hitta det mest effektiva sättet att generera CO från CO2.

Tidigare arbete från deras grupp styrde dem att använda en kommersiellt tillgänglig elektrokatalysator gjord av palladium uppburen på kol. Elektrokatalysatorer driver kemiska reaktioner med hjälp av en elektrisk ström. I närvaro av strömmande elektroner och protoner delar katalysatorn både CO2 och vatten (H2O) i CO och H2.

För det andra steget vände sig forskarna till en värmeaktiverad termokatalysator gjord av en järn-koboltlegering. Den fungerar vid temperaturer runt 400 grader Celsius, betydligt mildare än en direkt CO2-till-CNF-omvandling skulle kräva. De upptäckte också att tillsats av lite extra metallisk kobolt avsevärt förbättrar bildandet av kolnanofibrerna.

"Genom att koppla samman elektrokatalys och termokatalys använder vi denna tandemprocess för att uppnå saker som inte kan uppnås med någon av processerna ensam," sa Chen.

Katalysatorkarakterisering
För att upptäcka detaljerna om hur dessa katalysatorer fungerar, genomförde forskarna ett brett utbud av experiment. Dessa inkluderade beräkningsmodelleringsstudier, fysikaliska och kemiska karakteriseringsstudier vid Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – med användning av Quick X-ray Absorption and Scattering (QAS) och Inner-Shell Spectroscopy (ISS) strållinjer – och mikroskopisk avbildning vid anläggningen för elektronmikroskopi vid labbets centrum för funktionella nanomaterial (CFN).

På modelleringsfronten använde forskarna "density functional theory" (DFT) beräkningar för att analysera atomära arrangemang och andra egenskaper hos katalysatorerna när de interagerar med den aktiva kemiska miljön.

"Vi tittar på strukturerna för att bestämma vad som är de stabila faserna av katalysatorn under reaktionsförhållanden," förklarade studiens medförfattare Ping Liu från Brookhavens kemiavdelning som ledde dessa beräkningar. "Vi tittar på aktiva platser och hur dessa platser binder sig till reaktionsintermediärerna. Genom att bestämma barriärerna, eller övergångstillstånden, från ett steg till ett annat, lär vi oss exakt hur katalysatorn fungerar under reaktionen."

Röntgendiffraktions- och röntgenabsorptionsexperiment vid NSLS-II spårade hur katalysatorerna förändras fysiskt och kemiskt under reaktionerna. Till exempel avslöjade synkrotronröntgen hur närvaron av elektrisk ström omvandlar metalliskt palladium i katalysatorn till palladiumhydrid, en metall som är nyckeln till att producera både H2 och CO i det första reaktionssteget.

För det andra steget, "Vi ville veta vad som är strukturen hos järn-kobolt-systemet under reaktionsförhållanden och hur man optimerar järn-kobolt-katalysatorn," sa Xie. Röntgenexperimenten bekräftade att både en legering av järn och kobolt plus lite extra metallisk kobolt är närvarande och behövs för att omvandla CO till kolnanofibrer.

"De två arbetar tillsammans sekventiellt," sa Liu, vars DFT-beräkningar hjälpte till att förklara processen.

"Enligt vår studie hjälper kobolt-järnställena i legeringen till att bryta kolmonoxidens C-O-bindningar. Det gör atomärt kol tillgängligt för att fungera som källan för att bygga kolnanofibrer. Sedan finns den extra kobolten där för att underlätta bildandet av C-C-bindningarna som binder samman kolatomerna”, förklarade hon.

Återvinningsklar, koldioxidnegativ
"Transmissionselektronmikroskopi (TEM)-analys utförd vid CFN avslöjade morfologier, kristallstrukturer och elementarfördelningar inom kolnanofibrerna både med och utan katalysatorer", säger CFN-forskaren och studiemedförfattaren Sooyeon Hwang.

Bilderna visar att när kolnanofibrerna växer, trycks katalysatorn upp och bort från ytan. Det gör det lätt att återvinna den katalytiska metallen, sa Chen.

"Vi använder syra för att laka ut metallen utan att förstöra kolnanofibern så att vi kan koncentrera metallerna och återvinna dem för att användas som katalysator igen", sa han.

Denna enkla katalysatoråtervinning, kommersiell tillgänglighet av katalysatorerna och relativt milda reaktionsförhållanden för den andra reaktionen bidrar alla till en gynnsam bedömning av energin och andra kostnader förknippade med processen, sa forskarna.

"För praktiska tillämpningar är båda verkligen viktiga - CO2-fotavtrycksanalysen och återvinningsbarheten för katalysatorn," sa Chen. "Våra tekniska resultat och dessa andra analyser visar att denna tandemstrategi öppnar en dörr för koldioxidutsläpp till värdefulla fasta kolprodukter samtidigt som den producerar förnybar H2."

Om dessa processer drivs av förnybar energi, skulle resultaten bli verkligt koldioxidnegativa, vilket öppnar nya möjligheter för att minska koldioxidutsläppen.

Denna forskning stöddes av DOE Office of Science (BES). DFT-beräkningarna utfördes med hjälp av beräkningsresurser vid CFN och vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory. NSLS-II, CFN och NERSC är DOE Office of Science användarfaciliteter.

####

Om DOE/Brookhaven National Laboratory
Brookhaven National Laboratory stöds av Office of Science vid US Department of Energy. Office of Science är den enskilt största anhängaren av grundforskning inom fysikaliska vetenskaper i USA och arbetar för att ta itu med några av vår tids mest angelägna utmaningar. För mer information, besök science.energy.gov.

Följ @BrookhavenLab på sociala medier. Hitta oss på Instagram, LinkedIn, Twitter och Facebook.

För mer information, klicka på här.

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

Om du har en kommentar, snälla Kontakta oss oss.

Emittenter av nyhetsmeddelanden, inte 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, är ensamma ansvariga för innehållets noggrannhet.

Bokmärke: