Công nghệ nano hiện nay - Thông cáo báo chí: Tổ hợp xúc tác chuyển đổi CO2 thành sợi nano cacbon rắn: Chuyển đổi xúc tác điện-nhiệt song song có thể giúp bù đắp lượng phát thải khí nhà kính mạnh bằng cách khóa cacbon vào một vật liệu hữu ích

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Trang Chủ > Ấn Bản > Tổ hợp xúc tác chuyển đổi CO2 thành sợi nano cacbon rắn: Quá trình chuyển đổi xúc tác điện-nhiệt song song có thể giúp bù đắp lượng khí thải nhà kính mạnh bằng cách khóa cacbon trong một vật liệu hữu ích

Các nhà khoa học đã nghĩ ra chiến lược chuyển đổi carbon dioxide (CO2) từ khí quyển thành các sợi nano carbon có giá trị. Quá trình này sử dụng các phản ứng xúc tác điện (vòng màu xanh lam) và xúc tác nhiệt (vòng màu cam) song song để chuyển đổi CO2 (các phân tử màu xanh mòng két và bạc) cộng với nước (màu tím và màu xanh mòng két) thành các sợi nano cacbon “cố định” (bạc), tạo ra khí hydro (H2, màu tím). ) như một sản phẩm phụ có lợi. Các sợi nano carbon có thể được sử dụng để tăng cường vật liệu xây dựng như xi măng và khóa carbon trong nhiều thập kỷ.

TÍN DỤNG
(Zhenhua Xie/Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven và Đại học Columbia; Erwei Huang/Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven)

Tóm tắt:
Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) và Đại học Columbia đã phát triển một phương pháp chuyển đổi carbon dioxide (CO2), một loại khí nhà kính mạnh, thành sợi nano carbon, vật liệu có nhiều đặc tính độc đáo và nhiều tiềm năng lâu dài. cách sử dụng thuật ngữ. Chiến lược của họ sử dụng các phản ứng điện hóa và nhiệt hóa song song diễn ra ở nhiệt độ và áp suất xung quanh tương đối thấp. Như các nhà khoa học mô tả trên tạp chí Nature Catalysis, phương pháp này có thể khóa thành công carbon ở dạng rắn hữu ích để bù đắp hoặc thậm chí đạt được lượng khí thải carbon âm.

Tổ hợp xúc tác chuyển đổi CO2 thành sợi nano cacbon rắn: Quá trình chuyển đổi xúc tác điện-nhiệt song song có thể giúp bù đắp lượng khí thải nhà kính mạnh bằng cách khóa cacbon trong một vật liệu hữu ích

Upton, NY | Đăng vào ngày 12 tháng 2024 năm XNUMX

Jingguang Chen, giáo sư kỹ thuật hóa học tại Columbia, người đứng đầu nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Brookhaven, cho biết: “Bạn có thể đưa các sợi nano carbon vào xi măng để tăng cường độ cứng cho xi măng”. “Điều đó sẽ khóa cacbon trong bê tông ít nhất 50 năm, thậm chí có thể lâu hơn. Đến lúc đó, thế giới nên chuyển sang các nguồn năng lượng tái tạo chủ yếu không thải ra carbon.”

Ngoài ra, quy trình này còn tạo ra khí hydro (H2), một loại nhiên liệu thay thế đầy hứa hẹn mà khi sử dụng sẽ không tạo ra lượng khí thải.

Thu giữ hoặc chuyển đổi carbon
Ý tưởng thu giữ CO2 hoặc chuyển đổi nó thành các vật liệu khác để chống biến đổi khí hậu không phải là mới. Nhưng chỉ lưu trữ khí CO2 có thể dẫn đến rò rỉ. Và nhiều quá trình chuyển đổi CO2 tạo ra các hóa chất hoặc nhiên liệu dựa trên carbon được sử dụng ngay lập tức, giải phóng CO2 ngay vào khí quyển.

Chen cho biết: “Điều mới lạ của công việc này là chúng tôi đang cố gắng chuyển đổi CO2 thành một thứ có giá trị gia tăng nhưng ở dạng rắn và hữu ích”.

Những vật liệu carbon rắn như vậy – bao gồm ống nano carbon và sợi nano có kích thước đo bằng phần tỷ mét – có nhiều đặc tính hấp dẫn, bao gồm độ bền, độ dẫn nhiệt và điện. Nhưng việc tách carbon từ carbon dioxide và tập hợp nó thành những cấu trúc quy mô nhỏ này không phải là vấn đề đơn giản. Một quy trình trực tiếp, sử dụng nhiệt đòi hỏi nhiệt độ vượt quá 1,000 độ C.

Chen nói: “Việc giảm thiểu lượng khí thải CO2 trên quy mô lớn là rất phi thực tế. “Ngược lại, chúng tôi tìm thấy một quá trình có thể xảy ra ở nhiệt độ khoảng 400 độ C, đây là nhiệt độ thực tế hơn nhiều và có thể đạt được trong công nghiệp.”

Hai bước song song
Bí quyết là chia phản ứng thành các giai đoạn và sử dụng hai loại chất xúc tác khác nhau – những vật liệu giúp các phân tử kết hợp với nhau và phản ứng dễ dàng hơn.

Zhenhua Xie, tác giả chính của bài báo, cho biết: “Nếu bạn tách phản ứng thành nhiều bước phản ứng phụ, bạn có thể cân nhắc sử dụng các loại năng lượng đầu vào và chất xúc tác khác nhau để làm cho từng phần của phản ứng hoạt động”.

Các nhà khoa học bắt đầu bằng việc nhận ra rằng carbon monoxide (CO) là nguyên liệu ban đầu tốt hơn nhiều so với CO2 để tạo ra sợi nano carbon (CNF). Sau đó, họ quay lại để tìm ra cách hiệu quả nhất để tạo ra CO từ CO2.

Công việc trước đây của nhóm họ đã hướng dẫn họ sử dụng chất xúc tác điện có sẵn trên thị trường làm bằng palladium được hỗ trợ trên carbon. Chất xúc tác điện điều khiển các phản ứng hóa học bằng dòng điện. Với sự có mặt của các electron và proton đang chảy, chất xúc tác sẽ phân tách cả CO2 và nước (H2O) thành CO và H2.

Bước thứ hai, các nhà khoa học chuyển sang sử dụng chất xúc tác nhiệt kích hoạt bằng nhiệt làm từ hợp kim sắt-coban. Nó hoạt động ở nhiệt độ khoảng 400 độ C, nhẹ hơn đáng kể so với yêu cầu chuyển đổi trực tiếp CO2 thành CNF. Họ cũng phát hiện ra rằng việc bổ sung thêm một chút coban kim loại sẽ giúp tăng cường đáng kể sự hình thành các sợi nano carbon.

Chen cho biết: “Bằng cách kết hợp xúc tác điện và xúc tác nhiệt, chúng tôi đang sử dụng quy trình song song này để đạt được những điều mà không thể đạt được chỉ bằng một trong hai quy trình”.

Đặc tính xúc tác
Để khám phá chi tiết về cách thức hoạt động của các chất xúc tác này, các nhà khoa học đã tiến hành một loạt thí nghiệm. Chúng bao gồm các nghiên cứu mô hình tính toán, nghiên cứu đặc tính vật lý và hóa học tại Nguồn sáng Synchrotron Quốc gia II (NSLS-II) của Phòng thí nghiệm Brookhaven—sử dụng các tia hấp thụ và tán xạ tia X nhanh (QAS) và quang phổ bên trong vỏ (ISS)—và hình ảnh kính hiển vi tại cơ sở Kính hiển vi Điện tử tại Trung tâm Vật liệu nano Chức năng (CFN) của Phòng thí nghiệm.

Về mặt mô hình hóa, các nhà khoa học đã sử dụng phép tính “lý thuyết chức năng mật độ” (DFT) để phân tích sự sắp xếp nguyên tử và các đặc tính khác của chất xúc tác khi tương tác với môi trường hóa học hoạt động.

Đồng tác giả nghiên cứu Ping Liu thuộc Phòng Hóa học của Brookhaven, người đứng đầu các tính toán này, giải thích: “Chúng tôi đang xem xét các cấu trúc để xác định giai đoạn ổn định của chất xúc tác trong điều kiện phản ứng là gì. “Chúng tôi đang xem xét các vị trí hoạt động và cách các vị trí này liên kết với các chất trung gian phản ứng. Bằng cách xác định các rào cản hoặc trạng thái chuyển tiếp từ bước này sang bước khác, chúng tôi biết được chính xác chất xúc tác hoạt động như thế nào trong quá trình phản ứng.”

Các thí nghiệm nhiễu xạ tia X và hấp thụ tia X tại NSLS-II đã theo dõi cách các chất xúc tác thay đổi về mặt vật lý và hóa học trong các phản ứng. Ví dụ, tia X synchrotron cho thấy sự hiện diện của dòng điện biến đổi paladi kim loại trong chất xúc tác thành palladium hydrua, một kim loại đóng vai trò then chốt để tạo ra cả H2 và CO trong giai đoạn phản ứng đầu tiên.

Ở giai đoạn thứ hai, “Chúng tôi muốn biết cấu trúc của hệ thống sắt-coban trong điều kiện phản ứng là gì và cách tối ưu hóa chất xúc tác sắt-coban,” Xie nói. Các thí nghiệm tia X đã xác nhận rằng cả hợp kim của sắt và coban cộng với một số coban kim loại bổ sung đều có mặt và cần thiết để chuyển CO thành sợi nano carbon.

Liu, người có tính toán DFT giúp giải thích quy trình, cho biết: “Cả hai làm việc cùng nhau một cách tuần tự”.

“Theo nghiên cứu của chúng tôi, các vị trí coban-sắt trong hợp kim giúp phá vỡ liên kết C-O của carbon monoxide. Điều đó làm cho carbon nguyên tử có sẵn để làm nguồn sản xuất sợi nano carbon. Sau đó, lượng coban bổ sung sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành các liên kết C-C liên kết các nguyên tử carbon,” cô giải thích.

Sẵn sàng tái chế, carbon âm
Nhà khoa học và đồng tác giả nghiên cứu Sooyeon Hwang của CFN cho biết: “Phân tích kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) được thực hiện tại CFN đã tiết lộ các hình thái, cấu trúc tinh thể và sự phân bố nguyên tố trong sợi nano carbon cả khi có và không có chất xúc tác”.

Các hình ảnh cho thấy, khi các sợi nano carbon phát triển, chất xúc tác sẽ bị đẩy lên và ra khỏi bề mặt. Điều đó giúp việc tái chế kim loại xúc tác trở nên dễ dàng, Chen nói.

Ông nói: “Chúng tôi sử dụng axit để lọc kim loại ra ngoài mà không phá hủy sợi nano carbon để có thể cô đặc kim loại và tái chế chúng để sử dụng lại làm chất xúc tác”.

Các nhà nghiên cứu cho biết, việc tái chế chất xúc tác dễ dàng, tính sẵn có thương mại của chất xúc tác và điều kiện phản ứng tương đối nhẹ cho phản ứng thứ hai đều góp phần đánh giá thuận lợi về năng lượng và các chi phí khác liên quan đến quá trình này.

Chen cho biết: “Đối với các ứng dụng thực tế, cả hai đều thực sự quan trọng—phân tích dấu chân CO2 và khả năng tái chế của chất xúc tác”. “Kết quả kỹ thuật của chúng tôi và những phân tích khác này cho thấy rằng chiến lược song song này mở ra cơ hội khử cacbon cho CO2 thành các sản phẩm cacbon rắn có giá trị đồng thời sản xuất H2 tái tạo.”

Nếu các quá trình này được thúc đẩy bởi năng lượng tái tạo, kết quả sẽ thực sự là âm tính carbon, mở ra những cơ hội mới để giảm thiểu CO2.

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học DOE (BES). Các tính toán DFT được thực hiện bằng cách sử dụng các tài nguyên tính toán tại CFN và tại Trung tâm Máy tính Khoa học Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia (NERSC) tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley của DOE. NSLS-II, CFN và NERSC là các cơ sở dành cho người dùng của Văn phòng Khoa học DOE.

####

Giới thiệu về Phòng thí nghiệm Quốc gia DOE / Brookhaven
Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Văn phòng Khoa học là đơn vị hỗ trợ lớn nhất cho nghiên cứu cơ bản trong khoa học vật lý ở Hoa Kỳ và đang nỗ lực giải quyết một số thách thức cấp bách nhất của thời đại chúng ta. Để biết thêm thông tin, hãy truy cập Science.energy.gov.

Theo dõi @BrookhavenLab trên mạng xã hội. Tìm chúng tôi trên Instagram, LinkedIn, Twitter và Facebook.

Để biết thêm thông tin, xin vui lòng bấm vào tại đây

Liên hệ:
Karen McNulty Walsh
Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Brookhaven
Văn phòng: 631-344-8350

Nếu bạn có một bình luận, xin vui lòng Liên hệ chúng tôi.

Các tổ chức phát hành tin tức, không phải 7th Wave, Inc. hay Nanotech Now, chỉ chịu trách nhiệm về tính chính xác của nội dung.

Bookmark: