یک ترکیب کاتالیزوری CO را تبدیل می کند2 به نانوالیاف کربنی سفت و سخت
تبدیل پشت سر هم الکتروکاتالیستی-ترموکاتالیستی می تواند به جبران انتشار گازهای گلخانه ای قوی با قفل کردن کربن در مواد مفید کمک کند.
11 ژانویه 2024
دانشمندان یک استراتژی برای تبدیل دی اکسید کربن (CO2) از اتمسفر به نانوالیاف کربنی با ارزش تبدیل می شود. این فرآیند از واکنش های الکتروکاتالیستی پشت سر هم (حلقه آبی) و ترموکاتالیستی (حلقه نارنجی) برای تبدیل CO استفاده می کند.2 (مولکول های سبز آبی و نقره ای) به اضافه آب (بنفش و سبز آبی) در نانوالیاف کربنی ثابت (نقره)، تولید گاز هیدروژن (H)2، بنفش) به عنوان یک محصول جانبی مفید. نانوالیاف کربنی را می توان برای تقویت مصالح ساختمانی مانند سیمان و قفل کردن کربن برای چندین دهه استفاده کرد. (آزمایشگاه ملی ژنهوا زی/بروکهاون و دانشگاه کلمبیا؛ اروی هوانگ/آزمایشگاه ملی بروکهاون)
خبرگزاري آريا – UPTON، NY – دانشمندان در آزمايشگاه ملي بروکهون وزارت انرژي ايالات متحده (DOE) و دانشگاه کلمبيا روشي را براي تبديل دي اکسيد کربن (CO) توسعه داده اند.2)، یک گاز گلخانه ای قوی، در نانوالیاف کربنی، موادی با طیف وسیعی از خواص منحصر به فرد و کاربردهای طولانی مدت بالقوه فراوان. استراتژی آنها از واکنش های الکتروشیمیایی و ترموشیمیایی پشت سر هم استفاده می کند که در دماهای نسبتاً پایین و فشار محیط رخ می دهد. همانطور که دانشمندان در مجله توصیف می کنند کاتالیزور طبیعیاین رویکرد می تواند کربن را به شکل جامد مفید برای جبران یا حتی دستیابی به انتشار کربن منفی با موفقیت قفل کند.
جینگ گوانگ چن، استاد مهندسی شیمی در دانشگاه کلمبیا با یک قرار مشترک در آزمایشگاه Brookhaven که این تحقیق را رهبری می کرد، گفت: «می توانید برای تقویت سیمان، نانوالیاف کربنی را در سیمان قرار دهید. این کار کربن را در بتن برای حداقل 50 سال، احتمالاً بیشتر، حبس می کند. تا آن زمان، جهان باید در درجه اول به سمت منابع انرژی تجدید پذیر که کربن منتشر نمی کنند حرکت کند.
به عنوان یک امتیاز، این فرآیند همچنین گاز هیدروژن تولید می کند (H2) یک سوخت جایگزین امیدوارکننده است که در صورت استفاده، آلایندگی صفر ایجاد می کند.
جذب یا تبدیل کربن
ایده جذب CO2 یا تبدیل آن به مواد دیگر برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی چیز جدیدی نیست. اما صرفاً CO را ذخیره کنید2 گاز می تواند باعث نشتی شود. و مقدار زیادی CO2 تبدیل ها مواد شیمیایی یا سوخت های مبتنی بر کربن تولید می کنند که بلافاصله مورد استفاده قرار می گیرند، که CO آزاد می کند2 بازگشت به جو
«جدید بودن این کار این است که ما در تلاش برای تبدیل CO هستیم2 چن گفت: در چیزی که ارزش افزوده دارد اما به شکلی محکم و مفید است.
چنین مواد کربن جامد – از جمله نانولوله‌های کربنی و نانوالیاف با ابعادی به اندازه یک میلیاردم متر – دارای خواص جذاب بسیاری از جمله استحکام و هدایت حرارتی و الکتریکی هستند. اما استخراج کربن از دی اکسید کربن و جمع شدن آن در این ساختارهای ظریف کار آسانی نیست. یک فرآیند مستقیم و حرارت محور به دمای بالای 1000 درجه سانتیگراد نیاز دارد.
“این برای CO های مقیاس بزرگ بسیار غیر واقعی است2 کاهش،” چن گفت. در مقابل، ما فرآیندی را یافتیم که می‌تواند در حدود 400 درجه سانتیگراد رخ دهد، که دمای بسیار عملی‌تر و قابل دستیابی صنعتی است.
یک استراتژی پشت سر هم الکتروکاتالیستی-ترموکاتالیستی برای تولید CNF محدودیت‌های ترمودینامیکی را با ترکیب الکترولیز همزمان CO دور می‌زند.2 و آب در گاز سنتز (CO و H2) با یک فرآیند ترموشیمیایی بعدی در شرایط ملایم (370-450 درجه سانتیگراد، فشار محیط). این منجر به نرخ بالای تولید CNF می شود. هم افزایی بهینه آلیاژ آهن-کبالت (FeCo) و شرکت فلزی اضافی، فعال سازی تجزیه ای گاز سنتز را افزایش داده و تشکیل پیوند کربن-کربن را برای تولید CNF تقویت می کند. (Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory and Columbia University)
پشت سر هم دو مرحله ای
ترفند این بود که واکنش را به مراحل تقسیم کنید و از دو گونه مختلف استفاده کنید کاتالیزورها– موادی که تجمع و واکنش مولکول ها را تسهیل می کنند.
“اگر واکنش را به چندین مرحله زیر واکنش تقسیم کنید، می توانید استفاده از انواع مختلف انرژی ورودی و کاتالیزورها ژنهوا ژی، نویسنده اصلی این گزارش، محقق در آزمایشگاه بروکهاون و کلمبیا، می‌گوید تا همه بخش‌های واکنش عمل کند.
دانشمندان با درک این موضوع شروع کردند که مونوکسید کربن (CO) ماده اولیه بسیار بهتری نسبت به CO است2 برای تولید نانوالیاف کربنی (CNF). آنها سپس برای یافتن کارآمدترین راه برای تولید CO از CO به عقب برگشتند2.
کارهای قبلی گروهشان آنها را به استفاده از یک موجود تجاری هدایت کرد الکتروکاتالیست ساخته شده از پالادیوم بر روی کربن. الکتروکاتالیست ها با استفاده از جریان الکتریکی واکنش های شیمیایی را هدایت می کنند. در حضور الکترون ها و پروتون های در حال جریان، کاتالیزور هر دو CO را تقسیم می کند2 و آب (H2O) در CO و H2.
برای مرحله دوم، دانشمندان به فعال شدن با گرما روی آوردند ترموکاتالیست ساخته شده از آلیاژ آهن و کبالت. در دمای حدود 400 درجه سانتیگراد کار می کند که به طور قابل توجهی ملایم تر از CO مستقیم است2تبدیل -به-CNF نیاز دارد. آنها همچنین دریافتند که افزودن کمی کبالت فلزی اضافی تشکیل نانوالیاف کربنی را تا حد زیادی بهبود می بخشد.
چن گفت: «با جفت کردن الکتروکاتالیز و ترموکاتالیز، ما از این فرآیند پشت سر هم برای دستیابی به چیزهایی استفاده می‌کنیم که با هر یک از این فرآیندها به تنهایی امکان‌پذیر نیست.
میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (TEM) نوک نانوالیاف کربنی حاصل (سمت چپ) را روی اکسید آهن-کبالت/سریم (FeCo/CeO) نشان می دهد.2) کاتالیزور حرارتی. دانشمندان ساختار و ترکیب شیمیایی نانوالیاف کربنی تازه تشکیل شده (سمت راست) را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (STEM)، میدان تاریک حلقوی با زاویه بالا (HAADF) و طیف‌سنجی پرتو ایکس پراکنده انرژی (EDS) (نوار مقیاس) ترسیم کردند. نشان دهنده 8 نانومتر). تصاویر نشان می‌دهند که نانوالیاف از کربن (C) ساخته شده‌اند و نشان می‌دهند که فلزات کاتالیزوری، آهن (Fe) و کبالت (Co) از سطح کاتالیزوری رانده شده و در نوک نانوالیاف تجمع می‌یابند. (مرکز نانومواد عملکردی/آزمایشگاه ملی بروکهاون)
خصوصیات کاتالیزور
برای کشف جزئیات چگونگی این کاتالیزورها کار، دانشمندان طیف گسترده ای از آزمایش ها را انجام دادند. اینها شامل مطالعات مدلسازی محاسباتی، مطالعات خصوصیات فیزیکی و شیمیایی در آزمایشگاه بروکهاون است منبع نور ملی سنکروترون II (NSLS-II) – استفاده از جذب و پراکندگی سریع اشعه ایکس (QAS) و طیف سنجی پوسته داخلی (ISS) خطوط پرتو و تصاویر میکروسکوپی در میکروسکوپ الکترونی امکانات در آزمایشگاه مرکز نانومواد کاربردی (CFN).
در بخش مدلسازی، دانشمندان از محاسبات «نظریه تابعی چگالی» (DFT) برای تجزیه و تحلیل آرایش‌های اتمی و سایر ویژگی‌های آن استفاده کرده‌اند. کاتالیزورها هنگام تعامل با محیط شیمیایی فعال
پینگ لیو از دپارتمان شیمی بروکهاون که این محاسبات را هدایت می‌کرد، توضیح داد: «ما به ساختارها نگاه می‌کنیم تا مشخص کنیم که فازهای پایدار کاتالیزور در شرایط واکنش کدامند. ما در حال بررسی سایت‌های فعال و نحوه اتصال آن سایت‌ها به واسطه‌های واکنش هستیم. با تعیین موانع یا حالات گذار از یک مرحله به مرحله بعد، دقیقاً یاد می گیریم که کاتالیزور در طول واکنش چگونه عمل می کند.
آزمایشات پراش اشعه ایکس و جذب اشعه ایکس در NSLS-II چگونگی را ردیابی می کنند کاتالیزورها از نظر فیزیکی و شیمیایی در طی واکنش ها تغییر می کند. برای مثال، اشعه ایکس سنکروترون نشان داده است که چگونه حضور یک جریان الکتریکی، فلز پالادیوم را در کاتالیزور به هیدرید پالادیوم تبدیل می‌کند، فلزی که کلید تولید هر دو H است.2 و CO در مرحله اول واکنش.
زی گفت: برای مرحله دوم، “ما می خواستیم بدانیم ساختار سیستم آهن- کبالت در شرایط واکنش چگونه است و چگونه کاتالیزور آهن- کبالت را بهینه کنیم.” آزمایش‌های اشعه ایکس تأیید کرد که هم آلیاژ آهن و کبالت به اضافه مقداری فلز کبالت اضافی برای تبدیل CO به نانوالیاف کربنی وجود دارد و لازم است.
لیو که محاسبات DFT او به توضیح این روند کمک کرد، گفت: “این دو به ترتیب با هم کار می کنند.”
“طبق تحقیقات ما، سایت های آهن کبالت در آلیاژ به شکستن پیوندهای CO مونوکسید کربن کمک می کند. این امر باعث می شود تا کربن اتمی به عنوان منبعی برای ساخت نانوالیاف کربنی مورد استفاده قرار گیرد. سپس کبالت اضافی برای تسهیل تشکیل پیوندهای C-C که اتم‌های کربن را به هم متصل می‌کند، وجود دارد.”
اعضای تیم تحقیقاتی آزمایشگاه بروکهاون: ژنهوا شی (بروکهاون/کلمبیا)، پینگ لیو (بروکهاون/کلمبیا)، اروی هوانگ (بروکهاون)، سویون هوانگ (بروکهاون)، جینگ گوانگ چن (بروکهاون/کلمبیا). (راجر استوتنبرگ/آزمایشگاه ملی بروکهاون)
قابل بازیافت، کربن منفی
تجزیه و تحلیل میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) که بر روی CFN انجام شد، مورفولوژی ها، ساختارهای کریستالی و توزیع عنصری در نانوالیاف کربنی را با و بدون آن نشان داد. کاتالیزورهاسویون هوانگ، دانشمند CFN و یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت.
تصاویر نشان می‌دهند که با رشد نانوالیاف کربن، کاتالیزور به سمت بالا رانده شده و از سطح دور می‌شود. چن گفت که این کار بازیافت فلز کاتالیزوری را آسان تر می کند.
وی گفت: ما از اسید برای استخراج فلز بدون از بین بردن نانوالیاف کربنی استفاده می کنیم تا بتوانیم فلزات را متمرکز کرده و آنها را بازیافت کنیم تا دوباره از آنها به عنوان کاتالیزور استفاده کنیم.
این سهولت بازیافت کاتالیزور، در دسترس بودن تجاری کاتالیزورهابه گفته محققان، و شرایط واکنش نسبتا ملایم برای واکنش دوم به برآورد مطلوب انرژی و سایر هزینه‌های مرتبط با فرآیند کمک می‌کند.
“برای کاربردهای عملی، هر دو واقعا مهم هستند – CO2 چن گفت. «نتایج فنی ما و این تحلیل‌های دیگر نشان می‌دهد که این استراتژی پشت سر هم راه را برای کربن‌زدایی CO باز می‌کند2 به محصولات کربن جامد با ارزش و در عین حال تولید H تجدید پذیر2“
اگر این فرآیندها توسط انرژی های تجدیدپذیر هدایت شوند، نتایج واقعا کربن منفی خواهند بود و فرصت های جدیدی را برای CO باز می کنند.2 کاهش
این تحقیق توسط دفتر علوم DOE (BES) پشتیبانی شده است. محاسبات DFT با استفاده از منابع محاسباتی در CFN و c انجام شد مرکز ملی محاسبات علمی تحقیقات انرژی (NERSC) در DOE آزمایشگاه ملی لارنس برکلی. NSLS-II، CFN، و NERSC امکانات کاربر دفتر علوم DOE هستند.
آزمایشگاه ملی بروکهاون توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید Science.energy.gov.
BrookhavenLab@ را در رسانه های اجتماعی دنبال کنید. ما را در پیدا کنید اینستاگرام، لینکدین، توییترو فیس بوک.
