Trwają ciągłe badania i eksperymenty mające na celu znalezienie najlepszego sposobu na wychwytywanie dwutlenku węgla z atmosfery. Naukowcy z Brookhaven National Laboratory w Departamencie Energii USA i Uniwersytetu Columbia opracowali innowacyjną metodę. Proces produkcji stałych nanowłókien węglowych z katalizatorów CO2 nie tylko wychwytuje węgiel, ale także wytwarza wodór jako produkt uboczny.
Naukowcy z Brookhaven National Laboratory i Uniwersytetu Columbia, należącego do Departamentu Energii USA, opracowali metodę przekształcania dwutlenku węgla (CO2) w nanowłókna węglowe. Materiały te charakteryzują się szeregiem szczególnych właściwości i mogą być w przyszłości wykorzystywane na wiele sposobów. Zastosowana przez nich strategia polega na połączeniu reakcji elektrochemicznych i termochemicznych przeprowadzanych w niskich temperaturach i przy stałym ciśnieniu. Jak szczegółowo opisują naukowcy w swojej publikacji , ta innowacyjna metoda skutecznie magazynuje węgiel w cennym stanie stałym, co prowadzi do zmniejszenia, a nawet odwrócenia emisji dwutlenku węgla. Ponadto, proces ten generuje również wodór (H2 ) , wysoce obiecujące paliwo alternatywne, które po wykorzystaniu nie generuje emisji.
Kierownik badań i profesor inżynierii chemicznej Jingguang Chen z Uniwersytetu Columbia, zatrudniony wspólnie w Brookhaven Lab, powiedział: „Można dodać nanowłókna węglowe do cementu, aby go wzmocnić. To uwięziłoby węgiel w betonie na co najmniej 50 lat, a potencjalnie dłużej. Do tego czasu świat powinien przejść na odnawialne źródła energii, które nie emitują dwutlenku węgla”.
Wychwytywanie i konwersja dwutlenku węgla
Wychwytywanie i przetwarzanie CO2 w celu walki ze zmianami klimatu nie jest nową koncepcją. Jednak samo przechowywanie CO2 może prowadzić do wycieków. Wiele procesów przetwarzania CO2 generuje związki chemiczne lub paliwa na bazie węgla, które są natychmiast wykorzystywane, uwalniając CO2 z powrotem do atmosfery.
Profesor Chen powiedział: „Nowością tej pracy jest to, że próbujemy przekształcić CO2 w coś, co ma wartość dodaną, ale w stałej, użytecznej formie”.
Nanowłókna węglowe i nanorurki to stałe materiały węglowe o wymiarach miliardowych części metra. Wytrzymałość, przewodnictwo cieplne i elektryczne znajdują się na liście ich właściwości. Wydobycie węgla z CO2 i złożenie go w struktury drobnoskalowe nie jest łatwe. Jeden proces, który opiera się na cieple, wymaga temperatur powyżej 1,000° Celsjusza.
„To bardzo nierealne w przypadku redukcji emisji CO2 na dużą skalę. Natomiast odkryliśmy proces, który może zachodzić w temperaturze około 400°C, co jest znacznie bardziej praktyczną i osiągalną przemysłowo temperaturą” – dodał prof. Chen.
Tandem 2-krokowy
Reakcja została podzielona na 2 etapy, aby użyć 2 różnych typów katalizatorów. Ułatwia to cząsteczkom organizowanie się i reagowanie.
Zhenhua Xie , główna autorka artykułu i badaczka z Brookhaven Lab i Columbia University, powiedziała: „Jeśli rozdzielimy reakcję na kilka podetapów reakcji, możemy rozważyć zastosowanie różnych rodzajów wkładu energii i katalizatorów, aby każda część reakcji przebiegała pomyślnie”.
Krok 1
Naukowcy odkryli, że wykorzystanie tlenku węgla (CO) jako materiału wyjściowego jest bardziej efektywne niż użycie CO2 do produkcji nanowłókien węglowych (CNF). Następnie ponownie pracowali nad ustaleniem najefektywniejszej metody wytwarzania CO2 z CO2. Ich wcześniejsze prace doprowadziły ich do wykorzystania dostępnego komercyjnie elektrokatalizatora wykonanego z palladu osadzonego na węglu. Ten elektrokatalizator może rozszczepiać CO2 i wodę na CO2 i H2 za pomocą prądu elektrycznego.
Krok 2
Następnie, aby uzyskać stałe nanowłókna węglowe z katalizatorów CO2, naukowcy sięgnęli po aktywowany cieplnie termokatalizator wykonany ze stopu żelaza i kobaltu. Działa on w temperaturach około 400°C , znacznie niższych niż wymagałaby tego bezpośrednia konwersja CO2 do CNF . Odkryli również, że dodanie odrobiny metalicznego kobaltu znacznie przyspiesza formowanie nanowłókien węglowych.
Profesor Chen powiedział: „Łącząc elektrokatalizę i termokatalizę, wykorzystujemy ten proces tandemowy do osiągnięcia celów, których nie dałoby się osiągnąć stosując każdy z tych procesów osobno”.
Zobacz także : Recykling CO2 w celu tworzenia ekologicznych tworzyw sztucznych
Badanie katalizatora
Naukowcy przeprowadzili szereg eksperymentów, aby zrozumieć działanie tych katalizatorów. W ramach modelowania naukowcy wykorzystali obliczenia teorii funkcjonału gęstości (DFT) do zbadania struktur atomowych i innych właściwości katalizatorów w różnych interakcjach chemicznych. Eksperymenty rentgenowskie w NSLS-II monitorowały fizyczne i chemiczne transformacje katalizatorów w trakcie reakcji.
Współautor i kierownik obliczeń w badaniu, Ping Liu z Wydziału Chemii Uniwersytetu Brookhaven, powiedział: „Analizujemy struktury, aby określić, jakie są stabilne fazy katalizatora w warunkach reakcji. Analizujemy miejsca aktywne i sposób, w jaki wiążą się one z produktami pośrednimi reakcji. Określając bariery, czyli stany przejściowe, między jednym etapem a drugim, dowiadujemy się dokładnie, jak katalizator działa w trakcie reakcji”.
„W drugim etapie chcieliśmy dowiedzieć się, jaka jest struktura układu żelazo-kobaltowego w warunkach reakcji i jak zoptymalizować katalizator żelazowo-kobaltowy” – dodał Xie.
Eksperymenty rentgenowskie potwierdziły obecność stopu żelaza i kobaltu. Wykazały one również obecność dodatkowego metalicznego kobaltu, niezbędnego do przekształcenia CO w nanowłókna węglowe. Według Liu: „Oba te elementy działają sekwencyjnie. Według naszych badań, miejsca kobalt-żelazo w stopie pomagają w rozrywaniu wiązań CO w tlenku węgla. Dzięki temu węgiel atomowy staje się dostępny i może służyć jako źródło do budowy nanowłókien węglowych. Następnie, dodatkowy kobalt ułatwia tworzenie wiązań CC, które łączą atomy węgla”.
Przyjazne dla środowiska i neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla
Soo Yeon Hwang , naukowiec z CFN i współautor badania, powiedział: „Analiza za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) przeprowadzona w CFN ujawniła morfologię, strukturę krystaliczną i rozkład pierwiastków w nanowłókienach węglowych, zarówno z katalizatorami, jak i bez nich”.
Według prof. Chena: „Zdjęcia pokazują, że wraz ze wzrostem nanowłókien węglowych katalizator jest wypychany w górę i odsuwany od powierzchni. Ułatwia to recykling metalu katalitycznego. Używamy kwasu do wyługowania metalu bez niszczenia nanowłókien węglowych, dzięki czemu możemy zagęścić metale i poddać je recyklingowi, aby ponownie wykorzystać je jako katalizatory”.
Proces ten jest opłacalny z następujących powodów:
- Łatwość katalizatora recyklingu
- Dostępność handlowa katalizatorów
- Stosunkowo łagodne warunki reakcji dla drugiej reakcji
„W praktycznych zastosowaniach oba są naprawdę ważne: analiza śladu CO2 i możliwość recyklingu katalizatora. Nasze wyniki techniczne i te inne analizy pokazują, że ta strategia tandemowa otwiera drzwi do dekarbonizacji CO2 w wartościowe produkty stałego węgla, jednocześnie produkując odnawialny H₂” – dodał prof. Chen.
Jeśli produkcja stałych nanowłókien węglowych z katalizatorów CO2 będzie zasilana odnawialnymi źródłami energii , będzie ona prawdziwie neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla . Otworzy to nowe możliwości ograniczania emisji CO2.
Źródło : Kombinacja katalityczna przekształca CO2 w stałe nanowłókna węglowe
