Er wordt voortdurend onderzoek gedaan en geëxperimenteerd om de best mogelijke manier te vinden om koolstofdioxide uit de atmosfeer te halen. Onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en Columbia University hebben hiervoor een innovatieve methode ontwikkeld. Het proces van de productie van vaste koolstofnanovezels uit CO2-katalysatoren zal niet alleen koolstof vangen, maar ook waterstof als bijproduct produceren.
Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en de Columbia University hebben een methode ontdekt om koolstofdioxide (CO2) om te zetten in koolstofnanovezels. Deze materialen hebben diverse bijzondere eigenschappen en kunnen in de toekomst op vele manieren worden gebruikt. De strategie die ze toepassen, omvat een combinatie van elektrochemische en thermochemische reacties die worden uitgevoerd bij lage temperaturen en normale druk. Zoals de wetenschappers in hun publicatie beschrijven , slaat deze innovatieve methode koolstof effectief op in een waardevolle vaste vorm, wat leidt tot vermindering of zelfs omkering van koolstofemissies. Bovendien genereert het proces ook waterstofgas (H₂ ) , een veelbelovende alternatieve brandstof die, bij gebruik, geen emissies produceert.
Onderzoeksleider en hoogleraar chemische technologie Jingguang Chen van Columbia University, tevens verbonden aan Brookhaven Lab, zei: "Je kunt de koolstofnanovezels in cement verwerken om het cement te versterken. Daardoor wordt de koolstof minstens 50 jaar, mogelijk zelfs langer, in het beton opgeslagen. Tegen die tijd zou de wereld grotendeels moeten zijn overgeschakeld op hernieuwbare energiebronnen die geen koolstof uitstoten."
Koolstofafvang en -omzetting
Het afvangen en omzetten van CO2 om klimaatverandering tegen te gaan is geen nieuw concept. Echter, het simpelweg opslaan van CO2-gas kan leiden tot lekkages. Veel CO2-omzettingen genereren koolstofhoudende chemicaliën of brandstoffen die direct worden gebruikt, waardoor CO2 weer in de atmosfeer terechtkomt.
Professor Chen zei: "Het noviteit van dit werk is dat we proberen CO2 om te zetten in iets dat waarde toevoegt, maar dan in een vaste, bruikbare vorm."
Koolstofnanovezels en nanotubes zijn vaste koolstofmaterialen met afmetingen van miljardsten van een meter. Sterkte, thermische en elektrische geleidbaarheid zijn opgenomen in de lijst met hun eigenschappen. Het extraheren van koolstof uit CO2 en het samenstellen ervan tot fijnmazige structuren is niet eenvoudig. Een proces dat afhankelijk is van warmte vereist temperaturen boven de 1,000° Celsius.
"Het is zeer onrealistisch voor grootschalige CO2-reductie. Daarentegen hebben we een proces gevonden dat kan plaatsvinden bij ongeveer 400° Celsius, wat een veel praktischere en industrieel haalbare temperatuur is," voegde professor Chen eraan toe.
De tandem 2-staps
Reactie werd verdeeld in 2 fasen voor het gebruik van 2 verschillende typen katalysator. Dit maakt het makkelijker voor moleculen om zich te organiseren en te reageren.
Zhenhua Xie , hoofdauteur van het artikel en onderzoeker bij Brookhaven Lab en Columbia, zei: "Als je de reactie opsplitst in verschillende deelreacties, kun je overwegen om verschillende soorten energie-input en katalysatoren te gebruiken om elk deel van de reactie te laten slagen."
Stap 1
De wetenschappers ontdekten dat het gebruik van koolmonoxide (CO) als uitgangsmateriaal effectiever is dan het gebruik van CO2 voor de productie van koolstofnanovezels (CNF). Vervolgens onderzochten ze de meest efficiënte methode om CO uit CO2 te genereren. Hun eerdere onderzoek leidde hen tot het gebruik van een commercieel verkrijgbare elektrokatalysator, gemaakt van palladium op een koolstofdrager. Deze elektrokatalysator kan met behulp van een elektrische stroom zowel CO2 als water splitsen in CO en H2.
Stap 2
Voor de productie van vaste koolstofnanovezels met behulp van CO2-katalysatoren, richtten de wetenschappers zich vervolgens op een warmtegeactiveerde thermokatalysator van een ijzer-kobaltlegering. Deze werkt bij temperaturen rond de 400 ° 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 de koolstofnanovezels sterk bevordert.
Professor Chen zei: "Door elektrokatalyse en thermokatalyse te combineren, gebruiken we dit tandemproces om dingen te bereiken die met geen van beide processen afzonderlijk mogelijk zijn."
Zie ook : CO2 recyclen voor de productie van milieuvriendelijke kunststoffen
Katalysatoronderzoek
De wetenschappers voerden diverse experimenten uit om te begrijpen hoe deze katalysatoren werken. Voor de modellering gebruikten de wetenschappers dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) -berekeningen om de atoomstructuren en andere eigenschappen van de katalysatoren onder verschillende chemische interacties te onderzoeken. Röntgenexperimenten bij NSLS-II volgden de fysische en chemische transformaties van de katalysatoren gedurende de reacties.
Medeauteur en leider van de berekeningen in de studie, Ping Liu van de afdeling Scheikunde van Brookhaven, zei: "We bestuderen de structuren om te bepalen wat de stabiele fasen van de katalysator zijn onder reactieomstandigheden. We kijken naar de actieve centra en hoe deze centra zich binden aan 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."
"Voor de tweede fase wilden we weten wat de structuur van het ijzer-kobaltsysteem is onder reactieomstandigheden en hoe we de ijzer-kobaltkatalysator kunnen optimaliseren," voegde Xie eraan toe.
De röntgenexperimenten bevestigden de aanwezigheid van een legering van ijzer en kobalt. Ze toonden ook extra metallisch kobalt aan, dat nodig is voor de omzetting van CO in koolstofnanovezels. Volgens Liu: "De twee werken sequentieel samen. Volgens ons onderzoek helpen de kobalt-ijzer-bindingen in de legering de CO-bindingen van koolmonoxide te verbreken. Daardoor komt atomair koolstof beschikbaar als bron voor de opbouw van koolstofnanovezels. Vervolgens zorgt het extra kobalt ervoor dat de C-C-bindingen die de koolstofatomen met elkaar verbinden, worden gevormd."
Milieuvriendelijk en koolstofneutraal
CFN-wetenschapper en mede-auteur van de studie, Soo Yeon Hwang , zei: "Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM)-analyse uitgevoerd bij CFN onthulde de morfologieën, kristalstructuren en elementverdelingen binnen de koolstofnanovezels, zowel met als zonder katalysatoren."
Volgens professor Chen: "De beelden laten zien dat, naarmate de koolstofnanovezels groeien, de katalysator omhoog en van het oppervlak wordt geduwd. Daardoor is het gemakkelijk om het katalytische metaal te recyclen. We gebruiken zuur om het metaal eruit te logen zonder de koolstofnanovezels te beschadigen, zodat we de metalen kunnen concentreren en ze opnieuw als katalysator kunnen gebruiken."
Het proces is kosteneffectief om de volgende redenen:
- Gemak van katalysator recycling
- Commerciële beschikbaarheid van katalysatoren
- Relatief milde reactieomstandigheden voor de tweede reactie
"Voor praktische toepassingen zijn beide erg belangrijk: de CO2-voetafdrukanalyse en de recyclebaarheid van de katalysator. Onze technische resultaten en deze andere analyses laten zien dat deze tandemstrategie een deur opent voor het decarboniseren van CO2 tot waardevolle vaste koolstofproducten terwijl hernieuwbare H₂ wordt geproduceerd", voegde Prof. Chen toe.
Als de productie van vaste koolstofnanovezels met behulp van CO2-katalysatoren wordt aangedreven door hernieuwbare energiebronnen , zal deze werkelijk CO2-neutraal zijn . Dit zal bovendien nieuwe mogelijkheden creëren voor de vermindering van CO2-uitstoot.
Bron : Katalytische combinatie zet CO2 om in vaste koolstofnanovezels
