Nanotechnology Now - Press Release: Catalytic Combo Converts CO2 To Solid Carbon Nanofibers: Tandem Electrocatalytic-thermocatalytic Conversion Could Help Offset Emissions Of Potent Greenhouse Gas By Locking Carbon Away In A Useful Material

Перевидано Платоном

читають: 0

Головна > прес > Каталітична комбінація перетворює CO2 на тверді вуглецеві нановолокна: тандемне електрокаталітичне та термокаталітичне перетворення може допомогти компенсувати викиди сильнодіючих парникових газів, блокуючи вуглець у корисному матеріалі

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.

КРЕДИТ
(Чженьхуа Се/Брукхейвенська національна лабораторія та Колумбійський університет; Ервей Хуан/Брукхейвенська національна лабораторія)

Анотація:
Вчені з Брукхейвенської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE) і Колумбійського університету розробили спосіб перетворення вуглекислого газу (CO2), потужного парникового газу, у вуглецеві нановолокна, матеріали з широким спектром унікальних властивостей і багатьма потенційними довгостроковими. використання термінів. Їхня стратегія використовує тандемні електрохімічні та термохімічні реакції, що протікають при відносно низьких температурах і тиску навколишнього середовища. Як описують вчені в журналі Nature Catalysis, цей підхід може успішно блокувати вуглець у корисній твердій формі, щоб компенсувати або навіть досягти негативних викидів вуглецю.

Каталітична комбінація перетворює CO2 на тверді вуглецеві нановолокна: тандемне електрокаталітичне та термокаталітичне перетворення може допомогти компенсувати викиди сильнодіючих парникових газів, блокуючи вуглець у корисному матеріалі

Аптон, Нью-Йорк | Опубліковано 12 січня 2024 р

«Ви можете додати вуглецеві нановолокна в цемент, щоб зміцнити цемент», — сказав Цзінгуан Чен, професор хімічної інженерії в Колумбійському університеті, який очолював дослідження в Брукхейвенській лабораторії. «Це заблокує вуглець у бетоні щонайменше на 50 років, а можливо, і довше. До того часу світ має перейти переважно до відновлюваних джерел енергії, які не викидають вуглецю».

Як бонус, процес також виробляє газоподібний водень (H2), багатообіцяюче альтернативне паливо, яке при використанні створює нульові викиди.

Уловлювання або перетворення вуглецю
Ідея вловлювати CO2 або перетворювати його на інші матеріали для боротьби зі зміною клімату не нова. Але просте зберігання CO2 може призвести до витоків. І багато конверсій CO2 виробляють хімічні речовини на основі вуглецю або паливо, які використовуються відразу, що вивільняє CO2 прямо в атмосферу.

«Новизна цієї роботи полягає в тому, що ми намагаємося перетворити CO2 на щось, що має додаткову вартість, але в твердій, корисній формі», — сказав Чень.

Такі тверді вуглецеві матеріали, включно з вуглецевими нанотрубками та нановолокнами, розміри яких становлять мільярдні частки метра, мають багато привабливих властивостей, зокрема міцність, тепло- та електропровідність. Але виділити вуглець із вуглекислого газу й змусити його зібрати в ці дрібномасштабні структури непросто. Один прямий, керований теплом процес вимагає температур понад 1,000 градусів за Цельсієм.

«Це дуже нереально для великомасштабного скорочення викидів CO2», — сказав Чень. «На відміну від цього, ми знайшли процес, який може відбуватися приблизно при 400 градусах Цельсія, що є набагато більш практичною, промислово досяжною температурою».

Тандем двоступінчастий
Хитрість полягала в тому, щоб розбити реакцію на етапи та використати два різні типи каталізаторів — матеріалів, які полегшують молекулам збиратися разом і реагувати.

«Якщо ви розділите реакцію на кілька підреакційних етапів, ви можете розглянути можливість використання різних видів енергії та каталізаторів, щоб змусити кожну частину реакції працювати», — сказав дослідник лабораторії Брукхейвена та Колумбійського університету Женьхуа Се, провідний автор статті.

Вчені почали з того, що усвідомили, що окис вуглецю (CO) є набагато кращим вихідним матеріалом, ніж CO2, для виготовлення вуглецевих нановолокон (CNF). Потім вони повернулися назад, щоб знайти найефективніший спосіб генерувати CO з CO2.

Попередня робота їхньої групи скерувала їх до використання комерційно доступного електрокаталізатора, виготовленого з паладію на вуглеці. Електрокаталізатори керують хімічними реакціями за допомогою електричного струму. У присутності текучих електронів і протонів каталізатор розщеплює CO2 і воду (H2O) на CO і H2.

Для другого кроку вчені звернулися до термокаталізатора зі сплаву заліза і кобальту, що активується нагріванням. Він працює при температурах близько 400 градусів за Цельсієм, що є значно м’якшим, ніж потребує пряме перетворення CO2 у CNF. Вони також виявили, що додавання додаткової кількості металевого кобальту значно покращує утворення вуглецевих нановолокон.

«Поєднуючи електрокаталіз і термокаталіз, ми використовуємо цей тандемний процес для досягнення того, чого неможливо досягти жодним із цих процесів окремо», — сказав Чень.

Характеристика каталізатора
Щоб з’ясувати подробиці роботи цих каталізаторів, вчені провели низку експериментів. Вони включали дослідження обчислювального моделювання, дослідження фізичних і хімічних характеристик у Національному синхротронному джерелі світла II (NSLS-II) Брукхейвенської лабораторії — з використанням швидкого рентгенівського поглинання та розсіювання (QAS) і спектроскопії внутрішньої оболонки (ISS) — і мікроскопічні зображення на установці електронної мікроскопії в Центрі функціональних наноматеріалів Лабораторії (CFN).

На фронті моделювання вчені використовували розрахунки «теорії функціоналу густини» (DFT) для аналізу розташування атомів та інших характеристик каталізаторів під час взаємодії з активним хімічним середовищем.

«Ми розглядаємо структури, щоб визначити, які фази каталізатора є стабільними в умовах реакції», — пояснив співавтор дослідження Пінг Лю з Хімічного відділу Брукхейвена, який керував цими розрахунками. «Ми розглядаємо активні центри та те, як ці сайти зв’язуються з проміжними продуктами реакції. Визначаючи бар’єри або перехідні стани від одного етапу до іншого, ми дізнаємося, як саме функціонує каталізатор під час реакції».

Експерименти рентгенівської дифракції та рентгенівського поглинання на NSLS-II відстежували, як каталізатори змінюються фізично та хімічно під час реакцій. Наприклад, синхротронне рентгенівське випромінювання показало, як присутність електричного струму перетворює металевий паладій у каталізаторі на гідрид паладію, метал, який є ключовим для виробництва H2 і CO на першій стадії реакції.

На другому етапі: «Ми хотіли знати, яка структура залізо-кобальтової системи в умовах реакції та як оптимізувати залізо-кобальтовий каталізатор», — сказав Се. Експерименти з рентгенівськими променями підтвердили наявність сплаву заліза та кобальту, а також додаткового металевого кобальту, який необхідний для перетворення CO у вуглецеві нановолокна.

«Обидва працюють разом послідовно», — сказав Лю, чиї розрахунки DFT допомогли пояснити процес.

«Згідно з нашим дослідженням, кобальтово-залізні центри в сплаві допомагають розривати зв’язки С-О монооксиду вуглецю. Це робить атомарний вуглець доступним, щоб служити джерелом для створення вуглецевих нановолокон. Тоді додатковий кобальт є для того, щоб полегшити утворення зв’язків C-C, які з’єднують атоми вуглецю», – пояснила вона.

Готовий до вторинної переробки, негативний вуглець
«Аналіз трансмісійної електронної мікроскопії (ТЕМ), проведений у CFN, виявив морфологію, кристалічні структури та розподіл елементів у вуглецевих нановолокнах як з каталізаторами, так і без них», — сказав науковець із CFN та співавтор дослідження Суйон Хван.

Зображення показують, що, коли вуглецеві нановолокна ростуть, каталізатор штовхається вгору та від поверхні. Це полегшує переробку каталітичного металу, сказав Чень.

«Ми використовуємо кислоту, щоб вимити метал, не руйнуючи вуглецеві нановолокна, щоб ми могли концентрувати метали та переробляти їх, щоб знову використовувати як каталізатор», — сказав він.

Ця простота переробки каталізатора, комерційна доступність каталізаторів і відносно м’які умови реакції для другої реакції сприяють сприятливій оцінці енергетичних та інших витрат, пов’язаних з процесом, кажуть дослідники.

«Для практичного застосування обидва дійсно важливі — аналіз викидів СО2 і можливість переробки каталізатора», — сказав Чен. «Наші технічні результати та ці інші аналізи показують, що ця тандемна стратегія відкриває двері для декарбонізації CO2 у цінні тверді вуглецеві продукти з одночасним виробництвом відновлюваного H2».

Якщо ці процеси відбуватимуться за рахунок відновлюваної енергії, результати будуть справді негативними, що відкриватиме нові можливості для зменшення викидів CO2.

Це дослідження було підтримано Управлінням науки DOE (BES). Розрахунки DFT були виконані з використанням обчислювальних ресурсів CFN і Національного науково-обчислювального центру енергетичних досліджень (NERSC) Національної лабораторії Лоуренса Берклі DOE. NSLS-II, CFN і NERSC є користувальницькими засобами Управління науки DOE.

####

Про DOE/Брукхейвенську національну лабораторію
Брукхейвенська національна лабораторія підтримується Управлінням науки Міністерства енергетики США. Управління науки є найбільшим прихильником фундаментальних досліджень у галузі фізичних наук у Сполучених Штатах і працює над вирішенням деяких із найнагальніших викликів нашого часу. Для отримання додаткової інформації відвідайте science.energy.gov.

Слідкуйте за @BrookhavenLab у соціальних мережах. Знайдіть нас в Instagram, LinkedIn, Twitter і Facebook.

Для отримання додаткової інформації натисніть тут

Контакти:
Карен Макналті Волш
DOE/Брукхейвенська національна лабораторія
Офіс: 631-344-8350

Авторське право © DOE/Брукхейвенська національна лабораторія

Якщо у вас є коментар, будь ласка Контакти нам.

Видавці випусків новин, а не 7th Wave, Inc. або Nanotechnology Now, несуть повну відповідальність за точність змісту.

Закладка: