Katalitik kombinasyon CO2'yi katı karbon nano elyaflara dönüştürür

BNL Haberleri Personel Yazarları tarafından

Upton NY (SPX) 12 Ocak 2024

ABD Enerji Bakanlığı'nın (DOE) Brookhaven Ulusal Laboratuvarı ve Columbia Üniversitesi'ndeki bilim adamları, güçlü bir sera gazı olan karbondioksiti (CO2), çok çeşitli benzersiz özelliklere sahip ve birçok potansiyel uzun ömürlü malzemeye sahip karbon nano liflerine dönüştürmenin bir yolunu geliştirdiler. terim kullanımları. Stratejileri, nispeten düşük sıcaklıklarda ve ortam basıncında yürütülen tandem elektrokimyasal ve termokimyasal reaksiyonları kullanıyor. Bilim adamlarının Nature Catalytics dergisinde açıkladığı gibi, bu yaklaşım, negatif karbon emisyonlarını dengelemek ve hatta elde etmek için karbonu yararlı bir katı formda başarılı bir şekilde kilitleyebilir.

Araştırmayı yöneten, Brookhaven Laboratuvarı'nda ortak bir randevu ile Columbia'da kimya mühendisliği profesörü olan Jingguang Chen, "Çimentoyu güçlendirmek için çimentoya karbon nanofiberleri koyabilirsiniz" dedi. "Bu, karbonun betonda en az 50 yıl, hatta potansiyel olarak daha uzun bir süre boyunca kilitlenmesine neden olacaktır. O zamana kadar dünyanın öncelikle karbon salmayan yenilenebilir enerji kaynaklarına geçmesi gerekiyor.”

Bonus olarak, süreç aynı zamanda kullanıldığında sıfır emisyon yaratan, ümit verici bir alternatif yakıt olan hidrojen gazı (H2) da üretiyor.

Karbonu yakalama veya dönüştürme

İklim değişikliğiyle mücadele için CO2'yi yakalama veya onu başka malzemelere dönüştürme fikri yeni değil. Ancak CO2 gazının depolanması bile sızıntılara neden olabilir. Ve birçok CO2 dönüşümü, CO2'yi doğrudan atmosfere geri salan, hemen kullanılan karbon bazlı kimyasallar veya yakıtlar üretir.

Chen, "Bu çalışmanın yeniliği, CO2'yi katma değerli, ancak sağlam ve kullanışlı bir formda bir şeye dönüştürmeye çalışmamızdır" dedi.

Metrenin milyarda biri kadar boyutlara sahip karbon nanotüpler ve nanofiberler de dahil olmak üzere bu tür katı karbon malzemeler, dayanıklılık, termal ve elektriksel iletkenlik gibi birçok çekici özelliğe sahiptir. Ancak karbon dioksitten karbonu çıkarmak ve onu bu ince ölçekli yapılar halinde bir araya getirmek basit bir mesele değil. Doğrudan, ısıya dayalı bir işlem, 1,000 santigrat derecenin üzerinde sıcaklıklar gerektirir.

Chen, "Büyük ölçekli CO2 azaltımı için bu çok gerçekçi değil" dedi. "Buna karşılık, yaklaşık 400 santigrat derecede gerçekleşebilen bir süreç bulduk; bu, çok daha pratik ve endüstriyel olarak ulaşılabilir bir sıcaklıktır."

Tandem iki adımlı

İşin püf noktası, reaksiyonu aşamalara ayırmak ve moleküllerin bir araya gelip reaksiyona girmesini kolaylaştıran iki farklı türde katalizör (malzeme) kullanmaktı.

Makalenin baş yazarı Brookhaven Laboratuvarı ve Columbia araştırma bilimcisi Zhenhua Xie, "Reaksiyonu birkaç alt reaksiyon adımına ayırırsanız, reaksiyonun her bir parçasının çalışmasını sağlamak için farklı türde enerji girişi ve katalizörler kullanmayı düşünebilirsiniz" dedi.

Bilim adamları, karbon monoksitin (CO), karbon nanofiberleri (CNF) yapmak için CO2'den çok daha iyi bir başlangıç ​​malzemesi olduğunu fark ederek işe başladılar. Daha sonra CO2'den CO üretmenin en etkili yolunu bulmak için geri adım attılar.

Grubunun daha önceki çalışmaları, onları karbon destekli paladyumdan yapılmış, ticari olarak temin edilebilen bir elektrokatalizör kullanmaya yönlendirdi. Elektrokatalizörler, elektrik akımı kullanarak kimyasal reaksiyonları yönlendirir. Akan elektronların ve protonların varlığında, katalizör hem CO2'yi hem de suyu (H2O) CO ve H2'ye ayırır.

İkinci adım için bilim insanları demir-kobalt alaşımından yapılmış, ısıyla etkinleşen bir termokatalizöre yöneldiler. Doğrudan CO400'den CNF'ye dönüşümün gerektirdiğinden çok daha hafif olan 2 santigrat derece civarındaki sıcaklıklarda çalışıyor. Ayrıca bir miktar ekstra metalik kobalt eklemenin karbon nanofiberlerin oluşumunu büyük ölçüde arttırdığını da keşfettiler.

Chen, "Elektrokataliz ve termokatalizi birleştirerek, bu tandem prosesi, her iki prosesin tek başına başaramayacağı şeyleri başarmak için kullanıyoruz" dedi.

Katalizör karakterizasyonu

Bu katalizörlerin nasıl çalıştığının ayrıntılarını keşfetmek için bilim insanları çok çeşitli deneyler gerçekleştirdi. Bunlar arasında, Hızlı X-Işını Emilimi ve Saçılması (QAS) ve İç Kabuk Spektroskopisi (ISS) ışın çizgileri kullanılarak Brookhaven Laboratuvarı Ulusal Sinkrotron Işık Kaynağı II'de (NSLS-II) hesaplamalı modelleme çalışmaları, fiziksel ve kimyasal karakterizasyon çalışmaları ve mikroskobik görüntüleme yer alıyordu. Laboratuvarın Fonksiyonel Nanomalzemeler Merkezi'ndeki (CFN) Elektron Mikroskobu tesisinde.

Modelleme alanında bilim insanları, aktif kimyasal ortamla etkileşime giren katalizörlerin atomik düzenlemelerini ve diğer özelliklerini analiz etmek için "yoğunluk fonksiyonel teorisi" (DFT) hesaplamalarını kullandılar.

Bu hesaplamaları yöneten Brookhaven Kimya Bölümü'nden çalışmanın ortak yazarı Ping Liu, "Reaksiyon koşulları altında katalizörün kararlı fazlarının neler olduğunu belirlemek için yapılara bakıyoruz" dedi. "Aktif bölgelere ve bu bölgelerin reaksiyon ara ürünlerine nasıl bağlandığına bakıyoruz. Bir adımdan diğerine engelleri veya geçiş durumlarını belirleyerek, reaksiyon sırasında katalizörün tam olarak nasıl çalıştığını öğreniyoruz."

NSLS-II'deki X-ışını kırınımı ve X-ışını absorpsiyon deneyleri, reaksiyonlar sırasında katalizörlerin fiziksel ve kimyasal olarak nasıl değiştiğini izledi. Örneğin, sinkrotron x-ışınları, elektrik akımının varlığının, katalizördeki metalik paladyumu, ilk reaksiyon aşamasında hem H2 hem de CO üretmenin anahtarı olan bir metal olan paladyum hidrüre nasıl dönüştürdüğünü ortaya çıkardı.

Xie, ikinci aşamada, "Reaksiyon koşulları altında demir-kobalt sisteminin yapısının ne olduğunu ve demir-kobalt katalizörünün nasıl optimize edileceğini bilmek istedik" dedi. X-ışını deneyleri, hem demir ve kobalt alaşımının hem de ekstra metalik kobaltın mevcut olduğunu ve CO'yu karbon nanofiberlere dönüştürmek için gerekli olduğunu doğruladı.

DFT hesaplamaları sürecin açıklanmasına yardımcı olan Liu, "İkisi sırayla birlikte çalışıyor" dedi.

"Çalışmamıza göre alaşımdaki kobalt-demir bölgeleri karbon monoksitin C-O bağlarının kırılmasına yardımcı oluyor. Bu, atomik karbonun, karbon nanofiberlerinin oluşturulması için kaynak olarak hizmet etmesini sağlar. Daha sonra ekstra kobalt, karbon atomlarını birbirine bağlayan C-C bağlarının oluşumunu kolaylaştırmak için oradadır" diye açıkladı.

Geri dönüşüme hazır, karbon negatif

CFN bilim insanı ve çalışmanın ortak yazarı Sooyeon Hwang, "CFN'de gerçekleştirilen transmisyon elektron mikroskobu (TEM) analizi, hem katalizörlü hem de katalizörsüz karbon nanofiberler içindeki morfolojileri, kristal yapıları ve element dağılımlarını ortaya çıkardı" dedi.

Görüntüler, karbon nanofiberleri büyüdükçe katalizörün yukarıya doğru itildiğini ve yüzeyden uzaklaştığını gösteriyor. Chen, bunun katalitik metalin geri dönüştürülmesini kolaylaştırdığını söyledi.

"Karbon nanofiberine zarar vermeden metali süzmek için asit kullanıyoruz, böylece metalleri konsantre edebilir ve tekrar katalizör olarak kullanılmak üzere geri dönüştürebiliriz" dedi.

Araştırmacılar, katalizör geri dönüşümünün kolaylığı, katalizörlerin ticari olarak bulunabilirliği ve ikinci reaksiyon için nispeten yumuşak reaksiyon koşullarının hepsinin, süreçle ilişkili enerji ve diğer maliyetlerin olumlu bir şekilde değerlendirilmesine katkıda bulunduğunu söyledi.

Chen, "Pratik uygulamalar için her ikisi de gerçekten önemli; CO2 ayak izi analizi ve katalizörün geri dönüştürülebilirliği" dedi. "Teknik sonuçlarımız ve bu diğer analizler, bu ikili stratejinin, yenilenebilir H2 üretirken CO2'yi değerli katı karbon ürünlerine karbondan arındırmak için bir kapı açtığını gösteriyor."

Bu süreçler yenilenebilir enerjiyle yürütülürse, sonuçlar gerçekten karbon negatif olacak ve CO2 azaltımı için yeni fırsatlar açacaktır.

Araştırma raporu:Elektrokimyasal-termokimyasal ikili kataliz kullanılarak karbon nanofiberlere CO2 fiksasyonu

İlgili Bağlantılar

Brookhaven Ulusal Laboratuvarı

Karbon Dünyaları – grafit, elmas, amorf, fullerenlerin buluştuğu yer

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://www.spacedaily.com/reports/Catalytic_combo_converts_CO2_to_solid_carbon_nanofibers_999.html