大気から二酸化炭素を捕獲する最良の方法を見つけるために、継続的な研究と実験が進行中です。米国エネルギー省のブルックヘブン国立研究所とコロンビア大学の研究者は、このための革新的な方法を開発しました。CO2触媒から固体カーボンナノファイバーを製造するプロセスは、炭素を捕獲するだけでなく、副産物として水素も生成します。
米国エネルギー省ブルックヘブン国立研究所とコロンビア大学の科学者らは、二酸化炭素（CO2）をカーボンナノファイバーに変える方法を発見した。この材料はさまざまな特殊な性質を持ち、将来さまざまな用途に利用できる可能性がある。彼らが採用した戦略は、 電気化学反応と熱化学反応の組み合わせ 低温と通常の圧力で行われる。科学者らが詳細に述べたように、 出版物この革新的な方法は、炭素を貴重な固体状態で効果的に隔離し、炭素排出の緩和または逆転につながります。さらに、このプロセスでは水素ガス（H2）、これは利用すれば排出ガスをゼロにする非常に有望な代替燃料です。
研究と化学工学のリーダー 陳景光教授 コロンビア大学で、ブルックヘブン研究所の共同任命を受けた彼は、 「カーボンナノファイバーをセメントに混ぜてセメントを強化することができます。そうすれば、少なくとも50年間、おそらくそれ以上、コンクリートの中に炭素を閉じ込めることができます。その頃までには、世界は主に炭素を排出しない再生可能エネルギー源に移行しているはずです。」
炭素回収と変換
CO2の回収と変換 気候変動と戦うためのCO2ガス貯蔵は新しい概念ではありません。しかし、CO2ガスを単に貯蔵するだけでは漏れが生じる可能性があります。多くのCO2変換では、すぐに使用される炭素ベースの化学物質や燃料が生成され、COXNUMXが大気中に放出されます。
チェン教授はこう語った。 「この研究の斬新な点は、CO2を付加価値のある固体で有用な形に変換しようとしていることです。」
カーボンナノファイバーとナノチューブは、2億分の1,000メートルの大きさを持つ固体炭素材料です。その特性には、強度、熱伝導性、電気伝導性などがあります。COXNUMXから炭素を抽出し、微細構造に組み立てるのは簡単ではありません。熱を利用するプロセスでは、XNUMX°Cを超える温度が必要です。
「大規模なCO2削減には非常に非現実的です。対照的に、私たちは約400℃で起こり得るプロセスを発見しました。これははるかに実用的で、産業的に達成可能な温度です。」 チェン教授は付け加えた。
タンデム2ステップ
2種類の触媒を使用するため、反応は2段階に分けられます。これにより、分子が組織化され、反応しやすくなります。
論文の主著者であり、ブルックヘブン研究所とコロンビア大学の研究科学者である 謝振華、言った、 「反応をいくつかのサブ反応ステップに分離すると、反応の各部分を機能させるために、異なる種類のエネルギー入力と触媒の使用を検討できます。」
ステップ 1
科学者たちは、 一酸化炭素（CO）を原料として カーボンナノファイバー（CNF）の製造には、CO2を使用するよりも効果的です。その後、彼らはCO2からCOを生成する最も効率的な方法を決定するために研究しました。以前の研究により、彼らは炭素に担持されたパラジウムで作られた市販の電気触媒を使用することになりました。 電気触媒はCO2と水の両方を分解できる COとHに2 電流の助けを借りて。
ステップ 2
その後、CO2触媒から固体カーボンナノファイバーを製造するために、科学者たちは 熱活性化熱触媒 鉄コバルト合金製。 摂氏約400度、直接よりもかなり穏やかです CO2からCNFへの変換 必要となるだろう。また、金属コバルトを少し追加すると、カーボンナノファイバーの形成が大幅に促進されることも発見した。
チェン教授はこう語った。 「電気触媒と熱触媒を組み合わせることで、このタンデムプロセスを使用して、どちらかのプロセスだけでは達成できないことを実現します。」
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触媒調査
科学者たちは、これらの触媒がどのように機能するかを理解するためにさまざまな実験を行った。モデル化に関しては、科学者たちは 密度汎関数理論（DFT） 計算 原子構造やその他の特性を調べる さまざまな化学反応における触媒の挙動。NSLS-II での X 線実験では、反応全体を通じて触媒の物理的および化学的変化を監視しました。
この研究の共著者であり計算のリーダーである 劉平 ブルックヘブン大学化学部の教授は、 「私たちは、反応条件下での触媒の安定相が何であるかを決定するために構造を調べています。活性部位と、これらの部位が反応中間体とどのように結合しているかを調べています。あるステップから次のステップへの障壁、つまり遷移状態を決定することで、反応中に触媒がどのように機能しているかを正確に知ることができます。」
「第2段階では、反応条件下での鉄コバルト系の構造がどのようなものか、また鉄コバルト触媒を最適化するにはどうすればよいかを知りたいと考えました。」 謝氏は付け加えた。
X線実験 鉄とコバルトの合金の存在を確認した。 また、COをカーボンナノファイバーに変換するために必要な追加の金属コバルトも示されています。Liu氏によると、 「この2つは連続的に作用します。私たちの研究によると、合金中のコバルト鉄部位は一酸化炭素のCO結合を切断するのに役立ちます。これにより、炭素原子がカーボンナノファイバーの構築源として利用できるようになります。そして、余分なコバルトは炭素原子を結びつけるCC結合の形成を促進します。」
環境に優しく、カーボンニュートラル
CFNの科学者であり、この研究の共著者である ファン・スヨン、言った、 「CFNで実施された透過型電子顕微鏡（TEM）分析により、触媒の有無にかかわらず、カーボンナノファイバー内の形態、結晶構造、元素分布が明らかになりました。」
チェン教授によれば、 「画像から、カーボンナノファイバーが成長するにつれて、触媒が表面から押し上げられていくことがわかります。これにより、触媒金属のリサイクルが容易になります。私たちは、カーボンナノファイバーを破壊せずに酸を使って金属を浸出させ、金属を濃縮してリサイクルし、再び触媒として使用することができます。」
その プロセスは費用対効果が高い 次の理由によります。
- 触媒の容易さ リサイクル
- 触媒の市販
- 2番目の反応の比較的穏やかな反応条件
「実際の応用では、CO2フットプリント分析と触媒のリサイクル可能性の両方が非常に重要です。私たちの技術的結果とこれらの他の分析は、このタンデム戦略が、再生可能なH₂を生産しながらCO2を脱炭素化して貴重な固体炭素製品にする道を開くことを示しています」とチェン教授は付け加えました。
CO2触媒からの固体カーボンナノファイバー製造が 再生可能な資源で動く、 そうなる 真のカーボンニュートラルこれにより、CO2削減の新たな機会がさらに開かれることになります。
