Jatkuvaa tutkimusta ja kokeita tehdään parhaiden mahdollisten menetelmien löytämiseksi hiilidioksidin talteenottamiseksi ilmakehästä. Yhdysvaltain energiaministeriön Brookhaven National Laboratoryn ja Columbian yliopiston tutkijat ovat kehittäneet tähän innovatiivisen menetelmän. Kiinteän hiilen nanokuidun tuotantoprosessi CO2-katalyyteistä ei ainoastaan sitoo hiiltä, vaan tuottaa myös vetyä sivutuotteena.
Yhdysvaltain energiaministeriön Brookhavenin kansallisen laboratorion ja Columbian yliopiston tutkijat ovat löytäneet menetelmän hiilidioksidin (CO2) muuttamiseksi hiilinanokuituiksi. Näillä materiaaleilla on useita erityisominaisuuksia, ja niitä voitaisiin käyttää tulevaisuudessa monin tavoin. Heidän käyttämänsä strategia sisältää sähkökemiallisten ja termokemiallisten reaktioiden yhdistelmän, jotka suoritetaan matalissa lämpötiloissa ja normaalissa paineessa. Kuten tutkijat julkaisussaan yksityiskohtaisesti kuvaavat , tämä innovatiivinen menetelmä sitoo tehokkaasti hiiltä arvokkaaseen kiinteään olomuotoon, mikä johtaa hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen tai jopa kääntämiseen. Lisäksi prosessi tuottaa myös vetykaasua (H2 ) , erittäin lupaavaa vaihtoehtoista polttoainetta, joka käytettynä tuottaa nollapäästöjä.
Tutkimuksen johtaja ja kemiantekniikan professori Jingguang Chen Columbian yliopistosta, jolla on yhteinen nimitys Brookhavenin laboratoriossa, sanoi: ”Hiilinanokuituja voidaan laittaa sementtiin sementin vahvistamiseksi. Se lukitsisi hiilen betoniin vähintään 50 vuodeksi, mahdollisesti pidemmäksikin aikaa. Siihen mennessä maailman pitäisi siirtyä ensisijaisesti uusiutuviin energialähteisiin, jotka eivät tuota hiiltä.”
Hiilen talteenotto ja muuntaminen
Hiilidioksidin talteenotto ja muuntaminen ilmastonmuutoksen torjumiseksi ei ole uusi käsite. Pelkkä hiilidioksidikaasun varastointi voi kuitenkin johtaa vuotoihin. Monet hiilidioksidin muuntamiset tuottavat hiilipohjaisia kemikaaleja tai polttoaineita, joita käytetään välittömästi, jolloin hiilidioksidi vapautuu takaisin ilmakehään.
Professori Chen sanoi: ”Tämän työn uutuus on siinä, että yritämme muuntaa hiilidioksidia joksikin, joka tuo lisäarvoa, mutta on kiinteässä ja hyödyllisessä muodossa.”
Hiilinanokuidut ja nanoputket ovat kiinteitä hiilimateriaaleja, joiden mitat ovat metrin miljardisosia. Lujuus, lämmön- ja sähkönjohtavuus sisältyvät niiden ominaisuuksien luetteloon. Hiilen erottaminen hiilidioksidista ja sen kokoaminen hienojakoisiksi rakenteiksi ei ole helppoa. Eräs lämmöntarpeeseen perustuva prosessi vaatii yli 2 1,000 celsiusasteen lämpötiloja.
”Se on hyvin epärealistista laajamittaisen hiilidioksidipäästöjen vähentämisen kannalta. Sitä vastoin löysimme prosessin, joka voi tapahtua noin 400 celsiusasteessa, mikä on paljon käytännöllisempi ja teollisesti saavutettavissa oleva lämpötila”, professori Chen lisäsi.
Tandem 2-vaiheinen
Reaktio jaettiin 2 vaiheeseen kahden erityyppisen katalyytin käyttämiseksi. Tämä helpottaa molekyylien järjestäytymistä ja reagointia.
Artikkelin pääkirjoittaja ja Brookhaven Labin ja Columbian tutkija Zhenhua Xie sanoi: "Jos reaktio erotetaan useisiin osareaktiovaiheisiin, voidaan harkita erilaisten energiansyötteiden ja katalyyttien käyttöä reaktion kunkin osan toimimiseksi."
Vaihe 1
Tutkijat havaitsivat, että hiilimonoksidin (CO) käyttö lähtöaineena on tehokkaampaa kuin hiilidioksidin käyttö hiilinanokuitujen (CNF) tuotannossa. Myöhemmin he työskentelivät uudelleen määrittääkseen tehokkaimman menetelmän hiilimonoksidin tuottamiseksi hiilidioksidista. Heidän aiempi työnsä johti heidät käyttämään kaupallisesti saatavilla olevaa, hiilellä olevasta palladiumista valmistettua sähkökatalyyttiä. Tämä sähkökatalyytti voi jakaa sekä hiilidioksidin että veden hiilimonoksidiksi ja vedyksi sähkövirran avulla.
Vaihe 2
Sitten CO2-katalyyteistä valmistettujen kiinteiden hiilinanokuitujen tuottamiseksi tutkijat siirtyivät lämpöaktivoituun rauta-kobolttiseoksesta valmistettuun termokatalyyttiin. Se toimii noin 400 °C:n lämpötiloissa , mikä on huomattavasti miedompaa kuin suora CO2:n muuntaminen hiilinanokuituksi vaatisi. He havaitsivat myös, että hieman ylimääräisen metallisen koboltin lisääminen tehostaa huomattavasti hiilinanokuitujen muodostumista.
Professori Chen sanoi: ”Yhdistämällä sähkökatalyysin ja termokatalyysin käytämme tätä tandemprosessia saavuttaaksemme asioita, joita ei voida saavuttaa kummallakaan prosessilla yksinään.”
Katso myös : CO2:n kierrätys ympäristöystävällisten muovien valmistamiseksi
Katalyytin tutkimus
Tutkijat suorittivat erilaisia kokeita ymmärtääkseen, miten nämä katalyyttit toimivat. Mallinnuksessa tutkijat käyttivät tiheysfunktionaaliteorian (DFT) laskelmia tutkiakseen katalyyttien atomirakenteita ja muita ominaisuuksia erilaisissa kemiallisissa vuorovaikutuksissa. NSLS-II:n röntgenkokeilla seurattiin katalyyttien fysikaalisia ja kemiallisia muutoksia reaktioiden aikana.
Tutkimuksen toinen kirjoittaja ja laskelmien johtaja Ping Liu Brookhavenin kemian osastolta sanoi: "Tutkimme rakenteita määrittääksemme, mitkä ovat katalyytin stabiilit faasit reaktio-olosuhteissa. Tarkastelemme aktiivisia kohtia ja sitä, miten nämä kohdat sitoutuvat reaktiovälituotteisiin. Määrittämällä esteet eli siirtymätilat vaiheesta toiseen, opimme tarkalleen, miten katalyytti toimii reaktion aikana."
"Toisessa vaiheessa halusimme tietää, millainen on rauta-kobolttijärjestelmän rakenne reaktio-olosuhteissa ja miten rauta-kobolttikatalyyttiä voidaan optimoida", Xie lisäsi.
Röntgenkokeet vahvistivat raudan ja koboltin seoksen läsnäolon. Se osoittaa myös jonkin verran metallista kobolttia, joka on välttämätöntä CO:n muuntamiseksi hiilinanokuituiksi. Liun mukaan: "Nämä kaksi toimivat yhdessä peräkkäin. Tutkimuksemme mukaan seoksen koboltti-rauta-kohdat auttavat rikkomaan hiilimonoksidin CO-sidoksia. Tämä tekee atomaarisen hiilen saataville hiilinanokuitujen rakentamiseksi. Sitten ylimääräinen koboltti on siellä helpottamassa hiiliatomit yhdistävien CC-sidosten muodostumista."
Ympäristöystävällinen ja hiilineutraali
CFN:n tiedemies ja tutkimuksen toinen kirjoittaja Soo Yeon Hwang sanoi: "CFN:ssä tehty läpäisyelektronimikroskopia-analyysi (TEM) paljasti hiilinanokuitujen morfologiat, kiderakenteet ja alkuaineiden jakaumat sekä katalyyttien kanssa että ilman."
Professori Chenin mukaan ”Kuvat osoittavat, että hiilinanokuitujen kasvaessa katalyytti työntyy ylös ja pois pinnasta. Tämä helpottaa katalyyttisen metallin kierrätystä. Käytämme happoa metallin liuottamiseen tuhoamatta hiilinanokuitua, jotta voimme väkevöidä metallit ja kierrättää ne käytettäväksi uudelleen katalyyttinä.”
Prosessi on kustannustehokas seuraavista syistä:
- Katalysaattorin helppous kierrätys
- Katalyyttien kaupallinen saatavuus
- Suhteellisen lievät reaktio-olosuhteet toiselle reaktiolle
"Käytännön sovelluksissa molemmat ovat todella tärkeitä: CO2-jalanjälkianalyysi ja katalyytin kierrätettävyys. Tekniset tuloksemme ja nämä muut analyysit osoittavat, että tämä tandem-strategia avaa oven hiilidioksidin poistamiselle arvokkaiksi kiinteähiilituotteiksi samalla kun tuotetaan uusiutuvaa H2:ta", professori Chen lisäsi.
Jos CO2-katalyyteistä tuotettujen kiinteiden hiilinanokuitujen tuotanto tapahtuu uusiutuvilla luonnonvaroilla , se on todella hiilineutraalia . Tämä avaa uusia mahdollisuuksia CO2-päästöjen vähentämiseen.
Lähde : Katalyyttinen yhdistelmä muuntaa hiilidioksidin kiinteiksi hiilinanokuituiksi
