Egy széles körben elterjedt talajásvány, az α-vas-(III)-oxihidroxid újrahasznosítható katalizátornak bizonyult a szén-dioxid hangyasavvá történő fotoredukciójában. Fotó: Prof. Kazuhiko Maeda
A CO2 fotoredukciója szállítható üzemanyagokká, például hangyasavvá (HCOOH) jó módszer a légkörben emelkedő CO2-szint elleni küzdelemre. Ennek a feladatnak a megoldására a Tokiói Műszaki Intézet kutatócsoportja kiválasztott egy könnyen elérhető vas alapú ásványt, és alumínium-oxid hordozóra vitte fel, hogy olyan katalizátort fejlesszen ki, amely hatékonyan, körülbelül 90%-os szelektivitással képes a CO2-t HCOOH-vá alakítani!
Az elektromos járművek sokak számára vonzó választásnak bizonyulnak, és ennek egyik fő oka, hogy nincs szén-dioxid-kibocsátásuk. Sokak számára azonban nagy hátrányuk a hatótávolságuk hiánya és a hosszú töltési idejük. Itt van nagy előnyük a folyékony üzemanyagoknak, mint például a benzinnek. Nagy energiasűrűségük nagy hatótávolságot és gyors tankolást jelent.
A benzinről vagy dízelről más folyékony üzemanyagra való váltás kiküszöbölheti a szén-dioxid-kibocsátást, miközben megőrzi a folyékony üzemanyagok előnyeit. Egy üzemanyagcellában például a hangyasav képes motort működtetni, miközben vizet és szén-dioxidot szabadít fel. Ha azonban a hangyasavat a légköri CO2 HCOOH-vá redukálásával állítják elő, akkor az egyetlen nettó kibocsátás víz.
A légkörünkben növekvő szén-dioxid-szint és annak a globális felmelegedéshez való hozzájárulása ma már közismert hír. Ahogy a kutatók a probléma különböző megközelítéseivel kísérleteztek, egy hatékony megoldás született: a légkörben lévő felesleges szén-dioxid energiában gazdag vegyi anyagokká alakítása.
Az olyan üzemanyagok, mint a hangyasav (HCOOH) előállítása a CO2 napfényben történő fotoredukciójával az utóbbi időben nagy figyelmet kapott, mivel a folyamatnak kettős előnye van: csökkenti a felesleges CO2-kibocsátást, és segít minimalizálni a jelenleg tapasztalt energiahiányt is. A HCOOH kiváló hidrogénhordozóként, nagy energiasűrűséggel, égés útján energiát képes szolgáltatni, miközben melléktermékként csak víz szabadul fel.
Hogy ez a jövedelmező megoldás valósággá váljon, a tudósok olyan fotokatalitikus rendszereket fejlesztettek ki, amelyek napfény segítségével redukálják a szén-dioxidot. Ez a rendszer egy fényelnyelő hordozóból (azaz egy fotoszenzibilizátorból) és egy katalizátorból áll, amely lehetővé teszi a CO2 HCOOH-vá történő redukciójához szükséges többszörös elektronátvitelt. Így kezdődött a megfelelő és hatékony katalizátorok keresése!
Szén-dioxid fotokatalitikus redukciója gyakran használt összetett infografikák segítségével. Fotó: Kazuhiko Maeda professzor
Hatékonyságuk és potenciális újrahasznosíthatóságuk miatt a szilárd katalizátorokat tekintik a legjobb jelölteknek erre a feladatra, és az évek során számos kobalt-, mangán-, nikkel- és vasalapú fémorganikus váz (MOF) katalitikus képességét vizsgálták, amelyek közül az utóbbinak vannak előnyei más fémekkel szemben. A legtöbb eddig jelentett vasalapú katalizátor azonban fő termékként csak szén-monoxidot termel, HCOOH-t nem.
Ezt a problémát azonban gyorsan megoldotta a Tokiói Műszaki Intézet (Tokyo Tech) kutatócsoportja, Kazuhiko Maeda professzor vezetésével. Az Angewandte Chemie kémiai folyóiratban megjelent nemrégiben megjelent tanulmányban a csapat egy alumínium-oxid (Al2O3) hordozós, vas alapú katalizátort mutatott be α-vas(III)-oxi-hidroxid (α-FeO​​​OH; geotit) felhasználásával. Az új α-FeO​​​OH/Al2O3 katalizátor kiváló CO2-HCOOH konverziós teljesítményt és kiváló újrahasznosíthatóságot mutat. Amikor a katalizátorválasztásról kérdezték, Maeda professzor elmondta: „Több gyakori elemet szeretnénk feltárni katalizátorként a CO2 fotoredukciós rendszerekben. Szükségünk van egy szilárd katalizátorra, amely aktív, újrahasznosítható, nem mérgező és olcsó. Ezért választottunk széles körben elterjedt talajásványokat, például goethitet a kísérleteinkhez.”
A csapat egy egyszerű impregnálási módszert alkalmazott a katalizátor szintéziséhez. Ezután vas-hordozós Al₂O₃ anyagokat használtak a CO₂ fotokatalitikus redukálására szobahőmérsékleten ruténium alapú (Ru) fotoszenzibilizátor, elektrondonor és 400 nanométernél hosszabb hullámhosszú látható fény jelenlétében.
Az eredmények nagyon biztatóak. Rendszerük szelektivitása a fő termékre, a HCOOH-ra 80–90% volt, 4,3%-os kvantumhozammal (ami a rendszer hatékonyságát jelzi).
Ez a tanulmány egy első ilyen jellegű, vas alapú szilárd katalizátort mutat be, amely egy hatékony fotoszenzibilizátorral párosítva HCOOH előállítására képes. A tanulmány tárgyalja a megfelelő hordozóanyag (Al2O3) fontosságát és annak hatását a fotokémiai redukciós reakcióra.
„E kutatás eredményei segíthetnek új, nemesfémmentes katalizátorok kifejlesztésében a szén-dioxid más hasznos vegyi anyagokká történő fotoredukciójához. „Kutatásunk azt mutatja, hogy a zöldenergia-gazdasághoz vezető út nem bonyolult. Még az egyszerű katalizátor-előállítási módszerek is nagyszerű eredményeket hozhatnak, és közismert, hogy a földben bőségesen előforduló vegyületek, ha olyan vegyületekkel támogatják őket, mint az alumínium-oxid, szelektív katalizátorként használhatók a CO2 csökkentésére” – összegzi Maeda professzor.
Hivatkozások: Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinoyu Kamki Toshi, Prof. Shunsuke Nozawa, Prof. Kazuhiko Maeda, 2022. május 12., Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
„Itt van nagy előnyük a folyékony üzemanyagoknak, mint például a benzinnek. Nagy energiasűrűségük nagy hatótávolságot és gyors tankolást jelent.”
Mi a helyzet néhány számmal? Hogyan viszonyul a hangyasav energiasűrűsége a benzinéhez? Mivel a kémiai képletben csak egy szénatom van, kétlem, hogy akár meg is közelítené a benzinét.
Ráadásul a szaga nagyon mérgező, és savként korrozívabb, mint a benzin. Ezek nem megoldhatatlan mérnöki problémák, de hacsak a hangyasav nem kínál jelentős előnyöket a hatótávolság növelésében és az akkumulátor újratöltési idejének csökkentésében, valószínűleg nem éri meg a fáradságot.
Ha a talajból terveznék kitermelni a goethitet, az energiaigényes bányászati ​​művelet lenne, és potenciálisan káros lenne a környezetre.
Megemlíthetik a talajban található sok goethitet, mivel gyanítom, hogy több energiára lenne szükség a szükséges nyersanyagok kinyeréséhez és a goethit szintéziséhez szükséges reakciókhoz.
Szükséges a folyamat teljes életciklusát megvizsgálni, és kiszámítani mindennek az energiaköltségét. A NASA nem talált olyan dolgot, mint az ingyenes indítás. Másoknak is ezt kell szem előtt tartaniuk.
SciTechDaily: A legjobb tech hírek otthona 1998 óta. Maradjon naprakész a legfrissebb tech hírekkel e-mailben vagy közösségi médiában.
Már a BBQ füstös és mámorító ízeinek gondolatától is összefut a nyál a legtöbb emberben. Itt a nyár, és sokak számára…