นาโนเทคโนโลยีตอนนี้ - ข่าวประชาสัมพันธ์: คำสั่งผสมตัวเร่งปฏิกิริยาแปลง CO2 ให้เป็นเส้นใยนาโนคาร์บอนแข็ง: การแปลงด้วยไฟฟ้าและเทอร์โมคะตะไลติกควบคู่สามารถช่วยชดเชยการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่มีศักยภาพได้โดยการกักเก็บคาร์บอนในวัสดุที่มีประโยชน์

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

หน้าแรก > ข่าวประชา > ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบคอมโบแปลง CO2 ให้เป็นเส้นใยนาโนคาร์บอนแข็ง: การแปลงด้วยไฟฟ้าและเทอร์โมคะตะไลติกแบบควบคู่สามารถช่วยชดเชยการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่มีศักยภาพได้โดยการกักเก็บคาร์บอนไว้ในวัสดุที่มีประโยชน์

นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นกลยุทธ์ในการแปลงคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) จากชั้นบรรยากาศให้เป็นเส้นใยคาร์บอนนาโนที่มีคุณค่า กระบวนการนี้ใช้ปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าควบคู่ (วงแหวนสีน้ำเงิน) และปฏิกิริยาเทอร์โมคะตะไลติก (วงแหวนสีส้ม) เพื่อแปลง CO2 (โมเลกุลน้านและเงิน) บวกกับน้ำ (สีม่วงและน้าน) ให้เป็นเส้นใยนาโนคาร์บอน "คงที่" (เงิน) ทำให้เกิดก๊าซไฮโดรเจน (H2 สีม่วง ) เป็นผลพลอยได้ที่เป็นประโยชน์ เส้นใยนาโนคาร์บอนสามารถนำมาใช้เสริมความแข็งแกร่งให้กับวัสดุก่อสร้าง เช่น ซีเมนต์ และกักเก็บคาร์บอนมานานหลายทศวรรษ เครดิต (Zhenhua Xie/ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven และมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย; Erwei Huang/ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven)

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.

เครดิต
(Zhenhua Xie/ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven และมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย; Erwei Huang/ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven)

นามธรรม:
นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ (DOE) และมหาวิทยาลัยโคลัมเบียได้พัฒนาวิธีการแปลงคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีศักยภาพให้กลายเป็นเส้นใยนาโนคาร์บอน ซึ่งเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติเฉพาะที่หลากหลายและมีศักยภาพในระยะยาว การใช้คำ กลยุทธ์ของพวกเขาใช้ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าและเคมีความร้อนควบคู่ที่ทำงานที่อุณหภูมิและความดันบรรยากาศค่อนข้างต่ำ ตามที่นักวิทยาศาสตร์อธิบายไว้ในวารสาร Nature Catalysis วิธีการนี้สามารถกักคาร์บอนให้อยู่ในรูปของแข็งที่มีประโยชน์ได้สำเร็จ เพื่อชดเชยหรือแม้กระทั่งบรรลุการปล่อยก๊าซคาร์บอนในเชิงลบ

คำสั่งผสมตัวเร่งปฏิกิริยาแปลง CO2 ให้เป็นเส้นใยนาโนคาร์บอนแข็ง: การแปลงด้วยไฟฟ้าและเทอร์โมคะตะไลติกแบบควบคู่สามารถช่วยชดเชยการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่มีศักยภาพได้โดยการกักเก็บคาร์บอนไว้ในวัสดุที่มีประโยชน์

อัพตัน นิวยอร์ก | โพสต์เมื่อวันที่ 12 มกราคม 2024

“คุณสามารถใส่เส้นใยคาร์บอนนาโนลงในซีเมนต์เพื่อเสริมความแข็งแรงของซีเมนต์ได้” Jingguang Chen ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีที่ Columbia กล่าว โดยได้รับการแต่งตั้งร่วมกันที่ Brookhaven Lab ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัย กล่าว “นั่นจะกักเก็บคาร์บอนไว้ในคอนกรีตเป็นเวลาอย่างน้อย 50 ปี ซึ่งอาจนานกว่านั้นก็ได้ เมื่อถึงเวลานั้น โลกควรจะเปลี่ยนไปสู่แหล่งพลังงานทดแทนเป็นหลักซึ่งไม่ปล่อยก๊าซคาร์บอน”

นอกจากนี้ กระบวนการนี้ยังได้ผลิตก๊าซไฮโดรเจน (H2) ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงทางเลือกที่มีแนวโน้มว่าจะปล่อยมลพิษเป็นศูนย์เมื่อใช้แล้ว

การจับหรือการแปลงคาร์บอน
แนวคิดในการดักจับคาร์บอนไดออกไซด์หรือแปลงเป็นวัสดุอื่นเพื่อต่อสู้กับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศไม่ใช่เรื่องใหม่ แต่การเก็บก๊าซ CO2 ก็อาจทำให้เกิดการรั่วไหลได้ และการแปลง CO2 จำนวนมากจะทำให้เกิดสารเคมีหรือเชื้อเพลิงที่มีคาร์บอนซึ่งถูกใช้ทันที ซึ่งจะปล่อย CO2 กลับสู่ชั้นบรรยากาศทันที

“ความแปลกใหม่ของงานนี้คือเรากำลังพยายามแปลงคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นสิ่งที่เพิ่มมูลค่าแต่อยู่ในรูปแบบที่แข็งแกร่งและมีประโยชน์” เฉินกล่าว

วัสดุคาร์บอนแข็งดังกล่าว รวมถึงท่อนาโนคาร์บอนและเส้นใยนาโนที่มีขนาดหนึ่งในพันล้านของเมตร มีคุณสมบัติที่น่าสนใจมากมาย รวมถึงความแข็งแรง การนำความร้อนและไฟฟ้า แต่มันไม่ง่ายเลยที่จะแยกคาร์บอนออกจากคาร์บอนไดออกไซด์ และนำไปประกอบเป็นโครงสร้างขนาดเล็กเหล่านี้ กระบวนการที่ขับเคลื่อนด้วยความร้อนโดยตรงกระบวนการหนึ่งต้องใช้อุณหภูมิเกิน 1,000 องศาเซลเซียส

“การบรรเทาก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในวงกว้างนั้นเป็นเรื่องที่ไม่สมจริงเลย” เฉินกล่าว “ในทางตรงกันข้าม เราพบกระบวนการที่สามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิประมาณ 2 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่สามารถนำไปใช้ได้จริงในทางอุตสาหกรรมมากกว่า”

ตีคู่สองขั้นตอน
เคล็ดลับคือการแบ่งปฏิกิริยาออกเป็นระยะๆ และใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาสองประเภทที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นวัสดุที่ช่วยให้โมเลกุลรวมตัวกันและทำปฏิกิริยาได้ง่ายขึ้น

"ถ้าคุณแยกปฏิกิริยาออกเป็นหลายขั้นตอนย่อยของปฏิกิริยา คุณสามารถพิจารณาใช้พลังงานและตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทต่างๆ เพื่อให้แต่ละส่วนของปฏิกิริยาทำงานได้" Brookhaven Lab และนักวิทยาศาสตร์การวิจัยของโคลัมเบีย Zhenhua Xie ผู้เขียนนำรายงานกล่าว

นักวิทยาศาสตร์เริ่มต้นด้วยการตระหนักว่าคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) เป็นวัสดุเริ่มต้นที่ดีกว่า CO2 มากสำหรับการผลิตเส้นใยนาโนคาร์บอน (CNF) จากนั้นพวกเขาก็ย้อนรอยเพื่อค้นหาวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการสร้าง CO จาก CO2

งานก่อนหน้านี้จากกลุ่มของพวกเขาได้นำทางให้พวกเขาใช้เครื่องเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าที่มีจำหน่ายในท้องตลาดซึ่งทำจากแพลเลเดียมที่รองรับคาร์บอน ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าจะขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมีโดยใช้กระแสไฟฟ้า เมื่อมีอิเล็กตรอนและโปรตอนไหลอยู่ ตัวเร่งปฏิกิริยาจะแยกทั้ง CO2 และน้ำ (H2O) ออกเป็น CO และ H2

สำหรับขั้นตอนที่สอง นักวิทยาศาสตร์หันไปใช้เทอร์โมคะตะลิสต์ที่กระตุ้นความร้อนซึ่งทำจากโลหะผสมของเหล็กโคบอลต์ มันทำงานที่อุณหภูมิประมาณ 400 องศาเซลเซียส ซึ่งอ่อนกว่าการแปลง CO2 เป็น CNF โดยตรงอย่างมาก พวกเขายังค้นพบด้วยว่าการเติมโคบอลต์โลหะเพิ่มเติมเล็กน้อยจะช่วยเพิ่มการก่อตัวของเส้นใยนาโนคาร์บอนได้อย่างมาก

เรากำลังใช้กระบวนการควบคู่นี้เพื่อบรรลุสิ่งที่ไม่สามารถทำได้ด้วยกระบวนการใดกระบวนการหนึ่งเพียงอย่างเดียว" เฉินกล่าว

ลักษณะเฉพาะของตัวเร่งปฏิกิริยา
เพื่อค้นหารายละเอียดว่าตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้ทำงานอย่างไร นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองมากมาย สิ่งเหล่านี้รวมถึงการศึกษาการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ การศึกษาลักษณะทางกายภาพและทางเคมีที่ National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) ของ Brookhaven Lab โดยใช้ Quick X-ray Absorption and Scattering (QAS) และ Inner-Shell Spectroscopy (ISS) Beamlines และการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ ที่โรงงานกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ศูนย์วัสดุนาโนเชิงฟังก์ชัน (CFN) ของห้องปฏิบัติการ

ในด้านการสร้างแบบจำลอง นักวิทยาศาสตร์ใช้การคำนวณ "ทฤษฎีความหนาแน่นฟังก์ชัน" (DFT) เพื่อวิเคราะห์การจัดเรียงอะตอมและคุณลักษณะอื่นๆ ของตัวเร่งปฏิกิริยาเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมทางเคมีที่ใช้งานอยู่

"เรากำลังดูโครงสร้างเพื่อพิจารณาว่าระยะใดที่เสถียรของตัวเร่งปฏิกิริยาภายใต้สภาวะที่เกิดปฏิกิริยา" ผู้ร่วมเขียนการศึกษา Ping Liu จากแผนกเคมีของ Brookhaven ซึ่งเป็นผู้นำการคำนวณเหล่านี้อธิบาย “เรากำลังดูไซต์ที่มีการใช้งานอยู่ และไซต์เหล่านี้เชื่อมโยงกับตัวกลางปฏิกิริยาอย่างไร ด้วยการกำหนดอุปสรรคหรือสถานะการเปลี่ยนแปลงจากขั้นตอนหนึ่งไปอีกขั้นหนึ่ง เราจะเรียนรู้ได้อย่างชัดเจนว่าตัวเร่งปฏิกิริยาทำงานอย่างไรในระหว่างการเกิดปฏิกิริยา”

การทดลองการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์และการดูดกลืนรังสีเอกซ์ที่ NSLS-II ติดตามการเปลี่ยนแปลงของตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งทางกายภาพและทางเคมีในระหว่างปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น การเอ็กซเรย์ซินโครตรอนเผยให้เห็นว่ากระแสไฟฟ้าจะเปลี่ยนแพลเลเดียมโลหะในตัวเร่งปฏิกิริยาให้เป็นแพลเลเดียมไฮไดรด์ได้อย่างไร ซึ่งเป็นโลหะที่เป็นกุญแจสำคัญในการผลิตทั้ง H2 และ CO ในระยะปฏิกิริยาแรก

สำหรับขั้นตอนที่สอง "เราต้องการทราบว่าโครงสร้างของระบบเหล็ก-โคบอลต์คืออะไรภายใต้สภาวะของปฏิกิริยา และวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพตัวเร่งปฏิกิริยาของเหล็ก-โคบอลต์" Xie กล่าว การทดลองด้วยรังสีเอกซ์ยืนยันว่ามีทั้งโลหะผสมของเหล็กและโคบอลต์บวกกับโคบอลต์โลหะเพิ่มเติมอยู่และจำเป็นต้องแปลง CO เป็นเส้นใยนาโนคาร์บอน

“ทั้งสองทำงานร่วมกันตามลำดับ” Liu ซึ่งการคำนวณ DFT ช่วยอธิบายกระบวนการกล่าว

“ตามการศึกษาของเรา ตำแหน่งของโคบอลต์-เหล็กในโลหะผสมช่วยทำลายพันธะ C-O ของคาร์บอนมอนอกไซด์ นั่นทำให้อะตอมคาร์บอนพร้อมใช้เป็นแหล่งสร้างเส้นใยนาโนคาร์บอน จากนั้นโคบอลต์ส่วนเกินก็อยู่ที่นั่นเพื่ออำนวยความสะดวกในการก่อตัวของพันธะ C-C ที่เชื่อมโยงอะตอมของคาร์บอน” เธออธิบาย

พร้อมรีไซเคิล คาร์บอนเป็นลบ
“การวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) ที่ดำเนินการที่ CFN เผยให้เห็นสัณฐานวิทยา โครงสร้างผลึก และการกระจายตัวขององค์ประกอบภายในเส้นใยคาร์บอนนาโนไฟเบอร์ทั้งที่มีและไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา” นักวิทยาศาสตร์ของ CFN และผู้เขียนร่วมการศึกษา Sooyeon Hwang กล่าว

ภาพแสดงให้เห็นว่าในขณะที่เส้นใยนาโนคาร์บอนเติบโตขึ้น ตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกผลักขึ้นและออกไปจากพื้นผิว ทำให้ง่ายต่อการรีไซเคิลโลหะตัวเร่งปฏิกิริยา Chen กล่าว

“เราใช้กรดเพื่อชะโลหะออกมาโดยไม่ทำลายเส้นใยนาโนคาร์บอน เพื่อให้โลหะมีความเข้มข้นและรีไซเคิลเพื่อใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาอีกครั้ง” เขากล่าว

นักวิจัยกล่าวว่าความง่ายในการรีไซเคิลตัวเร่งปฏิกิริยา ความพร้อมใช้งานในเชิงพาณิชย์ของตัวเร่งปฏิกิริยา และสภาวะปฏิกิริยาที่ไม่รุนแรงสำหรับปฏิกิริยาที่สอง ทั้งหมดนี้มีส่วนช่วยในการประเมินพลังงานและต้นทุนอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการนี้

“สำหรับการใช้งานจริง ทั้งสองอย่างมีความสำคัญมาก—การวิเคราะห์รอยเท้าคาร์บอนไดออกไซด์ และความสามารถในการรีไซเคิลของตัวเร่งปฏิกิริยา” Chen กล่าว “ผลลัพธ์ทางเทคนิคของเราและการวิเคราะห์อื่นๆ เหล่านี้แสดงให้เห็นว่ากลยุทธ์ควบคู่นี้เปิดประตูสำหรับการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นผลิตภัณฑ์คาร์บอนแข็งที่มีคุณค่า ในขณะเดียวกันก็ผลิต H2 ที่หมุนเวียนได้”

หากกระบวนการเหล่านี้ขับเคลื่อนด้วยพลังงานหมุนเวียน ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นคาร์บอนลบอย่างแท้จริง ซึ่งเปิดโอกาสใหม่ๆ ในการลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิทยาศาสตร์ DOE (BES) การคำนวณ DFT ดำเนินการโดยใช้ทรัพยากรการคำนวณที่ CFN และที่ศูนย์คอมพิวเตอร์เพื่อการวิจัยพลังงานแห่งชาติ (NERSC) ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley ของ DOE NSLS-II, CFN และ NERSC คือสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับผู้ใช้สำนักงานวิทยาศาสตร์ของ DOE

####

เกี่ยวกับ DOE/ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูคฮาเวน
ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิทยาศาสตร์ กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา สำนักงานวิทยาศาสตร์เป็นผู้สนับสนุนการวิจัยขั้นพื้นฐานด้านวิทยาศาสตร์กายภาพรายใหญ่ที่สุดเพียงรายเดียวในสหรัฐอเมริกา และกำลังทำงานเพื่อจัดการกับความท้าทายที่เร่งด่วนที่สุดในยุคของเรา สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดดูที่ science.energy.gov

ติดตาม @BrookhavenLab บนโซเชียลมีเดีย พบกับเราบน Instagram, LinkedIn, Twitter และ Facebook

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมกรุณาคลิก โปรดคลิกที่นี่เพื่ออ่านรายละเอียดเพิ่มเติม

ติดต่อ:
คาเรน แมคนัลตี วอลช์
DOE/ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูคฮาเวน
สำนักงาน: 631-344 8350-

ลิขสิทธิ์ © DOE/Brookhaven National Laboratory

หากคุณมีความคิดเห็นโปรด ติดต่อ เรา

ผู้ออกข่าวประชาสัมพันธ์ไม่ใช่ 7th Wave, Inc. หรือ Nanotechnology Now มีหน้าที่รับผิดชอบต่อความถูกต้องของเนื้อหา แต่เพียงผู้เดียว

บุ๊คมาร์ค: