Katalytische combo zet CO2 om in vaste koolstofnanovezels
door stafschrijvers voor BNL News
Upton NY (SPX) 12 januari 2024
Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Columbia University hebben een manier ontwikkeld om kooldioxide (CO2), een krachtig broeikasgas, om te zetten in koolstofnanovezels, materialen met een breed scala aan unieke eigenschappen en veel potentiële lange-termijn-effecten. term gebruikt. Hun strategie maakt gebruik van tandem-elektrochemische en thermochemische reacties die worden uitgevoerd bij relatief lage temperaturen en omgevingsdruk. Zoals de wetenschappers in het tijdschrift Nature Catalysis beschrijven, zou deze aanpak met succes koolstof kunnen opslaan in een bruikbare vaste vorm om negatieve koolstofemissies te compenseren of zelfs te bereiken.
“Je kunt de koolstofnanovezels in cement stoppen om het cement te versterken”, zegt Jingguang Chen, hoogleraar chemische technologie aan Columbia met een gezamenlijke aanstelling bij Brookhaven Lab die het onderzoek leidde. “Dat zou de koolstof voor minstens 50 jaar, mogelijk langer, in beton opsluiten. Tegen die tijd zou de wereld moeten zijn overgeschakeld op voornamelijk hernieuwbare energiebronnen die geen koolstof uitstoten.”
Als bonus produceert het proces ook waterstofgas (H2), een veelbelovende alternatieve brandstof die, wanneer gebruikt, geen uitstoot veroorzaakt.
Koolstof vastleggen of omzetten
Het idee om CO2 af te vangen of om te zetten in andere materialen om de klimaatverandering tegen te gaan is niet nieuw. Maar het simpelweg opslaan van CO2-gas kan tot lekkages leiden. En bij veel CO2-conversies ontstaan op koolstof gebaseerde chemicaliën of brandstoffen die meteen worden gebruikt, waardoor CO2 direct weer in de atmosfeer terechtkomt.
“Het nieuwe aan dit werk is dat we proberen CO2 om te zetten in iets dat waarde toevoegt, maar dan in een solide, bruikbare vorm”, aldus Chen.
Dergelijke vaste koolstofmaterialen, waaronder koolstofnanobuisjes en nanovezels met afmetingen van miljardsten van een meter, hebben veel aantrekkelijke eigenschappen, waaronder sterkte en thermische en elektrische geleidbaarheid. Maar het is niet eenvoudig om koolstof uit koolstofdioxide te halen en dit in deze kleinschalige structuren te laten samenkomen. Voor een direct, door warmte aangedreven proces zijn temperaturen van meer dan 1,000 graden Celsius nodig.
“Het is erg onrealistisch voor grootschalige CO2-reductie,” zei Chen. “Daarentegen hebben we een proces gevonden dat kan plaatsvinden bij ongeveer 400 graden Celsius, wat een veel praktischere, industrieel haalbare temperatuur is.”
De tandem tweetraps
De truc was om de reactie in fasen op te delen en twee verschillende soorten katalysatormaterialen te gebruiken die het voor moleculen gemakkelijker maken om samen te komen en te reageren.
"Als je de reactie ontkoppelt in verschillende subreactiestappen, kun je overwegen om verschillende soorten energie-input en katalysatoren te gebruiken om elk onderdeel van de reactie te laten werken", aldus Brookhaven Lab en Columbia-onderzoeker Zhenhua Xie, hoofdauteur van het artikel.
De wetenschappers begonnen met het besef dat koolmonoxide (CO) een veel beter uitgangsmateriaal is dan CO2 voor het maken van koolstofnanovezels (CNF). Vervolgens gingen ze terug op zoek naar de meest efficiënte manier om CO uit CO2 te halen.
Eerder werk van hun groep bracht hen ertoe een in de handel verkrijgbare elektrokatalysator te gebruiken, gemaakt van palladium op koolstof. Elektrokatalysatoren drijven chemische reacties aan met behulp van elektrische stroom. In aanwezigheid van stromende elektronen en protonen splitst de katalysator zowel CO2 als water (H2O) in CO en H2.
Voor de tweede stap wendden de wetenschappers zich tot een door warmte geactiveerde thermokatalysator gemaakt van een ijzer-kobaltlegering. Het werkt bij temperaturen rond de 400 graden Celsius, aanzienlijk milder dan een directe CO2-naar-CNF-omzetting zou vereisen. Ze ontdekten ook dat het toevoegen van een beetje extra metallisch kobalt de vorming van koolstofnanovezels aanzienlijk verbetert.
“Door elektrokatalyse en thermokatalyse te koppelen, gebruiken we dit tandemproces om dingen te bereiken die met geen van beide processen alleen kunnen worden bereikt”, aldus Chen.
Karakterisering van de katalysator
Om de details van de werking van deze katalysatoren te ontdekken, voerden de wetenschappers een breed scala aan experimenten uit. Deze omvatten computationele modelleringsstudies, fysische en chemische karakteriseringsstudies bij Brookhaven Lab's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - met behulp van de Quick X-ray Absorption and Scattering (QAS) en Inner-Shell Spectroscopy (ISS) bundellijnen - en microscopische beeldvorming bij de elektronenmicroscopiefaciliteit van het Centre for Functional Nanomaterials (CFN) van het Lab.
Op het gebied van modellering gebruikten de wetenschappers berekeningen van de ‘dichtheidsfunctionaaltheorie’ (DFT) om de atomaire rangschikkingen en andere kenmerken van de katalysatoren te analyseren bij interactie met de actieve chemische omgeving.
“We kijken naar de structuren om te bepalen wat de stabiele fasen van de katalysator zijn onder reactieomstandigheden”, legt co-auteur Ping Liu van Brookhaven’s Chemistry Division uit, die deze berekeningen leidde. “We kijken naar actieve sites en hoe deze sites zich binden met de reactietussenproducten. Door de barrières, of overgangstoestanden, van de ene stap naar de andere te bepalen, leren we precies hoe de katalysator functioneert tijdens de reactie.”
Röntgendiffractie- en röntgenabsorptie-experimenten bij NSLS-II volgden hoe de katalysatoren fysisch en chemisch veranderen tijdens de reacties. Synchrotron-röntgenfoto's onthulden bijvoorbeeld hoe de aanwezigheid van elektrische stroom metallisch palladium in de katalysator omzet in palladiumhydride, een metaal dat essentieel is voor de productie van zowel H2 als CO in de eerste reactiefase.
Voor de tweede fase: “We wilden weten wat de structuur is van het ijzer-kobaltsysteem onder reactieomstandigheden en hoe we de ijzer-kobalt-katalysator kunnen optimaliseren,” zei Xie. De röntgenexperimenten bevestigden dat zowel een legering van ijzer en kobalt plus wat extra metallisch kobalt aanwezig zijn en nodig zijn om CO om te zetten in koolstofnanovezels.
“De twee werken opeenvolgend samen”, zegt Liu, wiens DFT-berekeningen het proces hielpen verklaren.
“Volgens onze studie helpen de kobalt-ijzerlocaties in de legering de C-O-bindingen van koolmonoxide te verbreken. Dat maakt atomaire koolstof beschikbaar om als bron te dienen voor het bouwen van koolstofnanovezels. Dan is het extra kobalt er om de vorming van de C-C-bindingen die de koolstofatomen met elkaar verbinden te vergemakkelijken”, legde ze uit.
Klaar voor recycling, CO2-negatief
“Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM)-analyse uitgevoerd bij CFN onthulde de morfologieën, kristalstructuren en elementaire distributies binnen de koolstofnanovezels, zowel met als zonder katalysatoren”, zegt CFN-wetenschapper en co-auteur van de studie Sooyeon Hwang.
De afbeeldingen laten zien dat naarmate de koolstofnanovezels groeien, de katalysator omhoog en weg van het oppervlak wordt geduwd. Dat maakt het gemakkelijk om het katalytische metaal te recyclen, zei Chen.
“We gebruiken zuur om het metaal uit te logen zonder de koolstof-nanovezel te vernietigen, zodat we de metalen kunnen concentreren en recyclen om ze weer als katalysator te gebruiken”, zei hij.
Dit gemak van katalysatorrecycling, commerciële beschikbaarheid van de katalysatoren en relatief milde reactieomstandigheden voor de tweede reactie dragen allemaal bij aan een gunstige beoordeling van de energie- en andere kosten die met het proces gepaard gaan, aldus de onderzoekers.
“Voor praktische toepassingen zijn beide erg belangrijk: de analyse van de CO2-voetafdruk en de recycleerbaarheid van de katalysator”, aldus Chen. “Onze technische resultaten en deze andere analyses laten zien dat deze tandemstrategie een deur opent voor het koolstofarm maken van CO2 in waardevolle vaste koolstofproducten en tegelijkertijd hernieuwbare waterstof produceert.”
Als deze processen worden aangedreven door hernieuwbare energie, zouden de resultaten werkelijk koolstofnegatief zijn, wat nieuwe mogelijkheden opent voor CO2-reductie.
Onderzoeksrapport:CO2-fixatie in koolstofnanovezels met behulp van elektrochemische-thermochemische tandemkatalyse
Gerelateerde Links
Brookhaven National Laboratory
Carbon Worlds - waar grafiet, diamant, amorf, fullerenen elkaar ontmoeten
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.spacedaily.com/reports/Catalytic_combo_converts_CO2_to_solid_carbon_nanofibers_999.html
