Продолжаются исследования и эксперименты, чтобы найти наилучший возможный способ улавливания углекислого газа из атмосферы. Исследователи из Национальной лаборатории Брукхейвена Министерства энергетики США и Колумбийского университета разработали инновационный метод для этого. Процесс производства твердого углеродного нановолокна из катализаторов CO2 не только улавливает углерод, но и производит водород в качестве побочного продукта.
Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Колумбийского университета разработали метод превращения углекислого газа (CO2) в углеродные нановолокна. Эти материалы обладают различными особыми свойствами и могут быть использованы в будущем различными способами. Используемая ими стратегия включает в себя сочетание электрохимических и термохимических реакций, проводимых при низких температурах и нормальном давлении. Как подробно описано учеными в их публикации , этот инновационный метод эффективно связывает углерод в ценном твердом состоянии, что приводит к снижению или даже обращению вспять выбросов углерода. Кроме того, в процессе также образуется водород (H2 ) , весьма перспективное альтернативное топливо, которое при использовании не производит выбросов.
Руководитель исследования и профессор химической инженерии Колумбийского университета Цзингуан Чен, также работающий в Брукхейвенской лаборатории, сказал: «Углеродные нановолокна можно добавлять в цемент для его упрочнения. Это позволит удерживать углерод в бетоне как минимум 50 лет, а возможно, и дольше. К тому времени мир должен перейти преимущественно на возобновляемые источники энергии, не выделяющие углерод».
Улавливание и преобразование углерода
Улавливание и преобразование CO2 для борьбы с изменением климата — не новая концепция. Однако простое хранение CO2 может привести к утечкам. Многие процессы преобразования CO2 приводят к образованию углеродсодержащих химических веществ или топлива, которые немедленно используются, высвобождая CO2 обратно в атмосферу.
Профессор Чен сказал: «Новизна этой работы заключается в том, что мы пытаемся преобразовать CO2 в нечто ценное, но в твердой, полезной форме».
Углеродные нановолокна и нанотрубки — это твердые углеродные материалы, имеющие размеры в миллиардные доли метра. Прочность, тепло- и электропроводность входят в список их свойств. Извлечение углерода из CO2 и сборка его в мелкомасштабные структуры — непростая задача. Один из процессов, который зависит от тепла, требует температур выше 1,000° по Цельсию.
«Для крупномасштабного сокращения выбросов CO2 это крайне нереалистично. Напротив, мы обнаружили процесс, который может происходить при температуре около 400° Цельсия, что является гораздо более практичной и достижимой в промышленном масштабе температурой», — добавил профессор Чен.
Тандем 2-х ступенчатый
Реакция была разделена на 2 этапа для использования 2 различных типов катализаторов. Это облегчает молекулам организацию и реакцию.
Ведущий автор статьи и научный сотрудник Брукхейвенской лаборатории и Колумбийского университета Чжэньхуа Се сказал: «Если разделить реакцию на несколько подэтапов, можно рассмотреть возможность использования различных видов энергии и катализаторов для обеспечения работы каждой части реакции».
Шаг 1
Ученые обнаружили, что использование монооксида углерода (CO) в качестве исходного материала более эффективно, чем использование CO2, для производства углеродных нановолокон (УНВ). Впоследствии они провели дальнейшие исследования, чтобы определить наиболее эффективный метод получения CO из CO2. Их предыдущая работа привела их к использованию коммерчески доступного электрокатализатора на основе палладия, нанесенного на углеродную подложку. Этот электрокатализатор способен расщеплять CO2 и воду на CO и H2 с помощью электрического тока.
Шаг 2
Затем для получения твердых углеродных нановолокон из катализаторов CO2 ученые обратились к термокатализатору, активируемому нагреванием, изготовленному из сплава железа и кобальта. Он работает при температурах около 400° Цельсия , что значительно мягче, чем потребовалось бы для прямой конверсии CO2 в углеродные нановолокна . Они также обнаружили, что добавление небольшого количества металлического кобальта значительно улучшает образование углеродных нановолокон.
Профессор Чен сказал: «Сочетая электрокатализ и термокатализ, мы используем этот тандемный процесс для достижения результатов, которые невозможно получить с помощью каждого из этих процессов по отдельности».
См. также : Переработка CO2 для создания экологически чистых пластмасс
Исследование катализатора
Ученые провели различные эксперименты, чтобы понять, как работают эти катализаторы. В плане моделирования они использовали расчеты на основе теории функционала плотности (DFT) для изучения атомных структур и других свойств катализаторов при различных химических взаимодействиях. Рентгеновские эксперименты на установке NSLS-II позволили отслеживать физические и химические превращения катализаторов на протяжении всех реакций.
Соавтор и руководитель расчетов исследования, Пин Лю из химического отдела Брукхейвенского университета, сказал: «Мы изучаем структуры, чтобы определить, какие фазы катализатора являются стабильными в условиях реакции. Мы изучаем активные центры и то, как эти центры связываются с промежуточными продуктами реакции. Определяя барьеры, или переходные состояния, от одного этапа к другому, мы точно узнаем, как катализатор функционирует во время реакции».
«На втором этапе мы хотели выяснить, какова структура системы железо-кобальт в условиях реакции и как оптимизировать катализатор на основе железа и кобальта», — добавил Се.
Рентгеновские эксперименты подтвердили наличие сплава железа и кобальта. Также было обнаружено некоторое количество дополнительного металлического кобальта, необходимого для преобразования CO в углеродные нановолокна. По словам Лю, «эти два процесса работают последовательно. Согласно нашему исследованию, участки кобальта и железа в сплаве помогают разорвать связи CO в монооксиде углерода. Это делает атомарный углерод доступным для использования в качестве источника для построения углеродных нановолокон. Затем дополнительный кобальт способствует образованию связей C–C, которые связывают атомы углерода».
Экологически чистый и углеродно-нейтральный
Ученый из CFN и соавтор исследования Су Ён Хван сказала: «Анализ с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), проведенный в CFN, выявил морфологию, кристаллическую структуру и распределение элементов внутри углеродных нановолокон как с катализаторами, так и без них».
По словам профессора Чена, «изображения показывают, что по мере роста углеродных нановолокон катализатор выталкивается вверх и отходит от поверхности. Это облегчает переработку каталитического металла. Мы используем кислоту для выщелачивания металла без разрушения углеродных нановолокон, поэтому мы можем концентрировать металлы и перерабатывать их для повторного использования в качестве катализатора».
Данный процесс экономически выгоден по следующим причинам:
- Легкость катализатора утилизации
- Коммерческая доступность катализаторов
- Относительно мягкие условия реакции для второй реакции
«Для практических приложений оба действительно важны: анализ выбросов CO2 и возможность вторичной переработки катализатора. Наши технические результаты и другие анализы показывают, что эта тандемная стратегия открывает дверь для декарбонизации CO2 в ценные твердые углеродные продукты при производстве возобновляемого H₂», — добавил профессор Чен.
Если производство твердых углеродных нановолокон из катализаторов CO2 будет осуществляться с использованием возобновляемых ресурсов , оно станет по-настоящему углеродно-нейтральным . Это откроет новые возможности для сокращения выбросов CO2.
Источник : Каталитическая комбинация преобразует CO2 в твердые углеродные нановолокна.
