Kontinuerlig forskning och experiment pågår för att hitta bästa möjliga sätt att fånga upp koldioxid från atmosfären. Forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory och Columbia University har utvecklat en innovativ metod för detta. Processen för produktion av nanofibrer i fast kol från CO2-katalysatorer kommer inte bara att fånga upp kol utan också producera väte som biprodukt.
Forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory och Columbia University har hittat en metod för att omvandla koldioxid (CO2) till kolnanofibrer. Dessa material har olika speciella egenskaper och skulle kunna användas på många sätt i framtiden. Strategin de använder involverar en kombination av elektrokemiska och termokemiska reaktioner som utförs vid låga temperaturer och konstant tryck. Som forskarna beskriver i sin publikation , binder denna innovativa metod effektivt kol i ett värdefullt fast tillstånd, vilket leder till minskning eller till och med reversering av koldioxidutsläpp. Dessutom genererar processen även vätgas (H2 ) , ett mycket lovande alternativt bränsle som, när det används, producerar nollutsläpp.
Forskningsledaren och professorn i kemiteknik vid Columbia University, med en gemensam utnämning till Brookhaven Lab, sa: ”Man kan lägga kolnanofibrer i cement för att stärka cementen. Det skulle låsa in kolet i betong i minst 50 år, potentiellt längre. Vid den tiden borde världen ha övergått till främst förnybara energikällor som inte släpper ut koldioxid.”
Kolavskiljning och omvandling
Att fånga och omvandla koldioxid för att bekämpa klimatförändringar är inte ett nytt koncept. Att bara lagra koldioxidgas kan dock leda till läckor. Många koldioxidomvandlingar genererar kolbaserade kemikalier eller bränslen som omedelbart används, vilket frigör koldioxid tillbaka i atmosfären.
Professor Chen sa: ”Det nya med detta arbete är att vi försöker omvandla koldioxid till något som ger mervärde men i en fast, användbar form.”
Kolnanofibrer och nanorör är fasta kolmaterial som har dimensioner på miljarddelar av en meter. Styrka, termisk och elektrisk ledningsförmåga ingår i listan över deras egenskaper. Att utvinna kol från CO2 och sätta ihop det till finskaliga strukturer är inte lätt. En process som är beroende av värme kräver temperaturer över 1,000 XNUMX° Celsius.
"Det är väldigt orealistiskt för storskalig koldioxidreduktion. Däremot fann vi en process som kan ske vid cirka 400° Celsius, vilket är en mycket mer praktisk och industriellt uppnåelig temperatur", tillade professor Chen.
Tandem 2-steg
Reaktionen delades upp i 2 steg för användning av 2 olika typer av katalysator. Detta gör det lättare för molekyler att organisera och reagera.
Huvudförfattaren till artikeln och forskaren vid Brookhaven Lab och Columbia, Zhenhua Xie , sa: ”Om man uppdelar reaktionen i flera delreaktionssteg kan man överväga att använda olika typer av energiinmatning och katalysatorer för att få varje del av reaktionen att fungera.”
steg 1
Forskarna upptäckte att det är mer effektivt att använda kolmonoxid (CO) som utgångsmaterial än att använda CO2 för att producera kolnanofibrer (CNF). De arbetade sedan tillbaka för att fastställa den mest effektiva metoden för att generera CO från CO2. Deras tidigare arbete ledde dem till att använda en kommersiellt tillgänglig elektrokatalysator gjord av palladium buren på kol. Denna elektrokatalysator kan dela upp både CO2 och vatten till CO och H2 med hjälp av en elektrisk ström.
steg 2
För produktion av fasta kolnanofibrer från CO2-katalysatorer övergick forskarna sedan till en värmeaktiverad termokatalysator tillverkad av en järn-koboltlegering. Den arbetar vid temperaturer runt 400° Celsius , vilket är betydligt mildare än vad en direkt CO2-till-CNF-omvandling skulle kräva. De upptäckte också att tillsats av lite extra metallisk kobolt avsevärt förbättrar bildandet av kolnanofibrer.
Professor Chen sa: ”Genom att koppla ihop elektrokatalys och termokatalys använder vi denna tandemprocess för att uppnå saker som inte kan uppnås med någon av processerna ensam.”
Se även : Återvinning av koldioxid för att skapa miljövänlig plast
Katalysatorutredning
Forskarna utförde olika experiment för att förstå hur dessa katalysatorer fungerar. När det gäller modellering använde forskarna densitetsfunktionalteori (DFT) beräkningar för att undersöka katalysatorernas atomstrukturer och andra egenskaper under olika kemiska interaktioner. Röntgenexperiment vid NSLS-II övervakade katalysatorernas fysikaliska och kemiska omvandlingar under hela reaktionerna.
Medförfattare och ledare för beräkningarna i studien, Ping Liu från Brookhavens kemiavdelning, sa: "Vi tittar på strukturerna för att bestämma vilka som är de stabila faserna i katalysatorn under reaktionsförhållanden. Vi tittar på aktiva platser och hur dessa platser binder till reaktionsmellanprodukterna. Genom att bestämma barriärerna, eller övergångstillstånden, från ett steg till ett annat, lär vi oss exakt hur katalysatorn fungerar under reaktionen."
"I det andra steget ville vi veta hur järn-koboltsystemet är strukturerat under reaktionsförhållanden och hur man optimerar järn-koboltkatalysatorn", tillade Xie.
Röntgenexperimenten bekräftade närvaron av en legering av järn och kobolt. De visar också ytterligare metallisk kobolt, som är nödvändig för att omvandla CO till kolnanofibrer. Enligt Liu: ”De två samverkar sekventiellt. Enligt vår studie hjälper kobolt-järn-ställena i legeringen till att bryta CO-bindningarna i kolmonoxid. Det gör atomärt kol tillgängligt som källa för att bygga kolnanofibrer. Sedan finns den extra kobolten där för att underlätta bildandet av CC-bindningarna som länkar samman kolatomerna.”
Miljövänlig & koldioxidneutral
CFN-forskaren och medförfattaren till studien, Soo Yeon Hwang , sa: ”Transmissionselektronmikroskopi (TEM)-analys utförd vid CFN avslöjade morfologier, kristallstrukturer och elementfördelningar inom kolnanofibrerna både med och utan katalysatorer.”
Enligt professor Chen visar bilderna att katalysatorn, allt eftersom kolnanofibrerna växer, trycks upp och bort från ytan. Det gör det enkelt att återvinna katalytisk metall. Vi använder syra för att laka ut metallen utan att förstöra kolnanofibrerna, så att vi kan koncentrera metallerna och återvinna dem för att användas som katalysator igen.
Processen är kostnadseffektiv av följande skäl:
- Enkel katalysator återvinning
- Kommersiell tillgång på katalysatorer
- Relativt milda reaktionsbetingelser för den andra reaktionen
”För praktiska tillämpningar är båda väldigt viktiga: analysen av koldioxidavtrycket och katalysatorns återvinningsbarhet. Våra tekniska resultat och dessa andra analyser visar att denna tandemstrategi öppnar en dörr för att avkarbonisera koldioxid till värdefulla fasta kolprodukter samtidigt som förnybar H₂ produceras”, tillade professor Chen.
Om produktionen av fasta kolnanofibrer från CO2-katalysatorer drivs av förnybara resurser , kommer den att vara helt koldioxidneutral . Detta kommer att öppna ytterligare nya möjligheter för koldioxidminskning.
Källa : Katalytisk kombination omvandlar CO2 till fasta kolnanofibrer
