קומבו קטליטי ממירה CO2 לננו-סיבי פחמן מוצקים

פרסומת
MAGNEZIX מגנזיקס


מדענים במעבדה הלאומית ברוקהייבן ואוניברסיטת קולומביה של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) פיתחו דרך להמיר פחמן דו חמצני (CO2), גז חממה חזק, לננו-סיבי פחמן, חומרים בעלי מגוון רחב של תכונות ייחודיות ושימושים פוטנציאליים רבים לטווח ארוך. האסטרטגיה שלהם משתמשת בתגובות אלקטרוכימיות ותרמוכימיות טנדם הפועלות בטמפרטורות נמוכות יחסית ובלחץ הסביבה. כפי שמתארים המדענים בכתב העת קטליזה של הטבעגישה זו תוכל לנעול בהצלחה פחמן בצורה מוצקה שימושית כדי לקזז או אפילו להשיג פליטות פחמן שליליות.

פרסומת

"אפשר להכניס את ננו-סיבי הפחמן למלט כדי לחזק את המלט", אמר ג'ינגגואנג צ'ן, פרופסור להנדסה כימית בקולומביה עם מינוי משותף במעבדת ברוקהייבן שהוביל את המחקר. "זה יחסל את הפחמן בבטון למשך 50 שנה לפחות, פוטנציאלי יותר. עד אז, העולם צריך לעבור למקורות אנרגיה מתחדשים בעיקר שאינם פולטים פחמן".

כבונוס, התהליך מייצר גם גז מימן (H2), דלק חלופי מבטיח שבשימוש בו הוא יוצר אפס פליטות.

לכידה או המרת פחמן

הרעיון של לכידת CO2 או המרתו לחומרים אחרים כדי להילחם בשינויי האקלים אינה חדשה. אבל פשוט אחסון CO2 גז יכול להוביל לדליפות. והרבה CO2 המרות מייצרות כימיקלים או דלקים המבוססים על פחמן המשמשים מיד, מה שמשחרר CO2 ישר חזרה לאטמוספירה.

"החידוש בעבודה זו הוא שאנו מנסים להמיר CO2 למשהו בעל ערך מוסף אבל בצורה מוצקה ושימושית", אמר צ'ן.

לחומרי פחמן מוצקים כאלה – כולל ננו-צינורות פחמן וננו-סיביים עם ממדים של מיליארדיות המטר – יש תכונות מושכות רבות, כולל חוזק ומוליכות תרמית וחשמלית. אבל זה לא עניין פשוט להפיק פחמן מפחמן דו חמצני ולגרום לו להרכיב לתוך המבנים בקנה מידה עדין אלה. תהליך ישיר אחד, מונחה חום, דורש טמפרטורות העולה על 1,000 מעלות צלזיוס.

"זה מאוד לא ריאלי עבור CO בקנה מידה גדול2 הקלה", אמר חן. "לעומת זאת, מצאנו תהליך שיכול להתרחש בכ-400 מעלות צלזיוס, שזו טמפרטורה הרבה יותר מעשית, ניתנת להשגה תעשייתית".

הטנדם דו-שלבי

החוכמה הייתה לפרק את התגובה לשלבים ולהשתמש בשני סוגים שונים של זרזים – חומרים שמקלים על מולקולות להתכנס ולהגיב.

"אם תנתק את התגובה למספר שלבי תגובת משנה, תוכל לשקול שימוש בסוגים שונים של קלט אנרגיה וזרזים כדי לגרום לכל חלק של התגובה לעבוד", אמר מדען המחקר ברוקהייבן מעבדה וקולומביה Zhenhua Xie, המחבר הראשי של המאמר.

המדענים התחילו בכך שהבינו שפחמן חד חמצני (CO) הוא חומר מוצא טוב בהרבה מCO2 לייצור ננו-סיבי פחמן (CNF). ואז הם חזרו לאחור כדי למצוא את הדרך היעילה ביותר לייצר CO מ-CO2.

עבודה מוקדמת יותר מהקבוצה שלהם כיוון אותם להשתמש במכשיר זמין מסחרי זרז חשמלי עשוי פלדיום נתמך על פחמן. אלקטרו-זרזים מניעים תגובות כימיות באמצעות זרם חשמלי. בנוכחות אלקטרונים ופרוטונים זורמים, הזרז מפצל את שני ה-CO2 ומים (ח2O) לתוך CO ו-H2.

לשלב השני, המדענים פנו למכשיר המופעל בחום תרמוזרז עשוי מסגסוגת ברזל-קובלט. הוא פועל בטמפרטורות סביב 400 מעלות צלזיוס, מתון משמעותית מ-CO ישיר2המרת -ל-CNF תדרוש. הם גם גילו שהוספת מעט קובלט מתכתי נוסף משפרת מאוד את היווצרות ננו-סיבי הפחמן.

"על ידי צימוד אלקטרוקטליזה ותרמוקטליזה, אנו משתמשים בתהליך טנדם זה כדי להשיג דברים שלא ניתן להשיג על ידי אף אחד מהתהליך לבדו", אמר צ'ן.

אפיון זרז

כדי לגלות את הפרטים של אופן הפעולה של זרזים אלה, ערכו המדענים מגוון רחב של ניסויים. אלה כללו מחקרי מודלים חישוביים, מחקרי אפיון פיזיקליים וכימיים ב-National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) של מעבדת ברוקהייבן – תוך שימוש בקווי אלומה מהירים של קליטה ופיזור רנטגן (QAS) ו-Inner-Shell Spectroscopy (ISS) – ו הדמיה מיקרוסקופית במתקן מיקרוסקופיה אלקטרונית במרכז המעבדה לננו-חומרים פונקציונליים (CFN).

בחזית הדוגמנות, המדענים השתמשו בחישובי "תיאוריית תפקוד צפיפות" (DFT) כדי לנתח את הסידורים האטומיים ומאפיינים אחרים של הזרזים בעת אינטראקציה עם הסביבה הכימית הפעילה.

"אנחנו בוחנים את המבנים כדי לקבוע מה הם השלבים היציבים של הזרז בתנאי תגובה", הסביר מחבר המחקר פינג ליו מחטיבת הכימיה של ברוקהייבן שהוביל את החישובים הללו. "אנו בוחנים אתרים פעילים וכיצד אתרים אלו מתחברים עם תוצרי הביניים של התגובה. על ידי קביעת המחסומים, או מצבי המעבר, משלב אחד לאחר, אנו לומדים בדיוק כיצד הזרז מתפקד במהלך התגובה."

ניסויי עקיפה וקרני רנטגן ב-NSLS-II עקבו אחר האופן שבו הזרזים משתנים פיזית וכימית במהלך התגובות. לדוגמה, צילומי רנטגן סינכרוטרוניים חשפו כיצד נוכחות של זרם חשמלי הופכת פלדיום מתכתי בזרז לפלדיום הידריד, מתכת שהיא המפתח לייצור הן H2 ו-CO בשלב התגובה הראשון.

לשלב השני, "רצינו לדעת מה המבנה של מערכת הברזל-קובלט בתנאי תגובה וכיצד לייעל את זרז הברזל-קובלט", אמר שי. ניסויי הרנטגן אישרו כי ישנן גם סגסוגת של ברזל וקובלט בתוספת מעט קובלט מתכתי נוסף כדי להמיר CO לננו-סיבי פחמן.

"השניים עובדים יחד ברצף", אמר ליו, שחישובי ה-DFT שלו עזרו להסביר את התהליך.

"לפי המחקר שלנו, אתרי הקובלט-ברזל בסגסוגת עוזרים לשבור את קשרי ה-CO של פחמן חד חמצני. זה הופך את הפחמן האטומי לזמין כדי לשמש כמקור לבניית ננו-סיבי פחמן. ואז הקובלט הנוסף נמצא שם כדי להקל על היווצרות של קשרי ה-CC המחברים בין אטומי הפחמן", הסבירה.

מוכן למיחזור, שלילי פחמן

"ניתוח מיקרוסקופ אלקטרונים (TEM) שבוצע ב-CFN חשף את המורפולוגיות, מבני הגביש וההתפלגות היסודות בתוך ננו-סיבי הפחמן גם עם וגם בלי זרזים", אמר מדען CFN ומחבר המחקר Sooyeon Hwang.

התמונות מראות שכאשר ננו-סיבי הפחמן גדלים, הזרז נדחק מעלה ומתרחק מפני השטח. זה מקל על מיחזור המתכת הקטליטית, אמר צ'ן.

"אנחנו משתמשים בחומצה כדי לשטוף את המתכת החוצה מבלי להרוס את ננו-סיבי הפחמן כדי שנוכל לרכז את המתכות ולמחזר אותן כדי לשמש שוב כזרז", אמר.

הקלות הזו של מיחזור זרזים, זמינות מסחרית של הזרזים ותנאי תגובה מתונים יחסית לתגובה השנייה, כולם תורמים להערכה חיובית של האנרגיה ועלויות אחרות הקשורות לתהליך, אמרו החוקרים.

"עבור יישומים מעשיים, שניהם חשובים מאוד – CO2 ניתוח טביעת הרגל ויכולת המיחזור של הזרז", אמר צ'ן. "התוצאות הטכניות שלנו והניתוחים האחרים הללו מראים שאסטרטגיית טנדם זו פותחת דלת להפחתת CO22 למוצרי פחמן מוצק יקרי ערך תוך ייצור H מתחדש2."

אם תהליכים אלה מונעים על ידי אנרגיה מתחדשת, התוצאות יהיו באמת שליליות פחמן, ויפתחו הזדמנויות חדשות עבור CO2 הֲקָלָה.

מחקר זה נתמך על ידי משרד המדע DOE (BES). חישובי ה-DFT בוצעו באמצעות משאבי חישוב ב-CFN וב-National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי של DOE. NSLS-II, CFN ו-NERSC הם מתקני משתמש של משרד DOE of Science.



קישור לכתבת המקור – 2024-01-11 18:32:14

Facebook
Twitter
LinkedIn
Telegram
WhatsApp
Email
פרסומת
X-ray_Promo1

עוד מתחומי האתר