Novi katalizator, ki deluje na svetlobo, ujame CO2, da bi sestavil gorivo

Anonim

Znanstveniki so razvili svetlobo aktiviran material, ki lahko kemično pretvorijo ogljikov dioksid v ogljikov monoksid, ne da bi ustvaril neželene stranske proizvode. Dosežek predstavlja pomemben korak naprej pri razvoju tehnologije, ki bi lahko pripomogla k ustvarjanju goriva in drugih energijsko bogatih proizvodov, ki uporabljajo katalizator na sončno energijo, medtem ko blažijo stopnje močnega toplogrednega plina.

Ko je izpostavljena vidni svetlobi, je material, gobastna nikeljska organska kristalna struktura, pretvoril ogljikov dioksid (CO2) v reakcijsko komoro izključno v plin iz ogljikovega monoksida (CO), ki ga je mogoče nadalje pretvoriti v tekoča goriva, topila in drugi koristni izdelki.

Mednarodna raziskovalna ekipa, ki jo vodijo znanstveniki na Oddelku za energetiko v Nacionalnem laboratoriju Berkeley (Berkeley Lab) in Tehnološki univerzi Nanyang (NTU) v Singapurju, je 28. julija objavila revijo Science Advances.

"Pokažemo skoraj 100-odstotno selektivnost proizvodnje CO, brez odkrivanja konkurenčnih izdelkov plina, kot so vodik ali metan, " je povedal Haimei Zheng, znanstveni delavec oddelka za materialne vire v Berkeley Labu in soodgovorni avtor študije. "To je velika stvar. Pri zmanjševanju emisij ogljikovega dioksida želiš oditi z enim izdelkom, ne pa z mešanico različnih stvari."

Znebiti se konkurence

V kemiji se redukcija nanaša na dobiček elektronov v reakciji, medtem ko je oksidacija, ko atom izgubi elektrone. Med dobro znanimi primeri redukcije ogljikovega dioksida je fotosinteza, ko rastline prenesejo elektrone iz vode v ogljikov dioksid in hkrati ustvarijo ogljikove hidrate in kisik.

Zmanjšanje ogljikovega dioksida potrebuje katalizatorje, ki pomagajo prekiniti stabilne vezi molekule. Z zanimanjem za razvoj katalizatorjev za zmanjšanje emisij ogljikovega dioksida na sončno energijo za proizvodnjo goriv se je povečalo s hitro porabo fosilnih goriv v preteklem stoletju in z željo po obnovljivih virih energije.

Raziskovalci so bili posebej zainteresirani za odpravo konkurenčnih kemičnih reakcij pri zmanjšanju ogljikovega dioksida.

"Celotno zatiranje konkurenčnega razvoja vodika med fotokatalitsko pretvorbo CO2 v CO ni bilo doseženo pred našim delom, " je dejal Zheng.

V Berkeley Labu sta Zheng in njeni sodelavci razvili inovativno lasersko kemijsko metodo za izdelavo kovinskega organskega kompozitnega materiala. Raztopili smo prekurzorje niklja v raztopini trietilenglikola in raztopino razkrojili na neokubiranem infrardečem laserju, ki je v raztopino sprožil verižno reakcijo, ko je kovina absorbirala svetlobo. Nastala reakcija je oblikovala kovinsko-organske kompozite, ki so bili potem ločeni od raztopine.

"Ko smo spremenili valovno dolžino laserskega laserja, smo dobili različne kompozite, " je povedal študentski soustvarjalni avtor Kaiyang Niu, strokovnjak za materiale v laboratoriju podjetja Zheng. "Tako smo ugotovili, da so bile reakcije aktivirane na svetlobo in ne toplotno aktivirane."

Raziskovalci so označili strukturo materiala v Molecular Foundry, uradu za pomoč uporabnikom znanosti DOE v laboratoriju Berkeley. Nikelj-organski fotokatalizator je imel podobne podobnosti s kovinsko-organskimi okviri ali MOF. Medtem ko imajo MF redno kristalno strukturo s togimi povezovalci med organskimi in anorganskimi komponentami, ta novi fotokatalizator vključuje mešanico mehkih povezovalcev različnih dolžin, povezanih z nikljam, kar ustvarja napake v arhitekturi.

"Posledične napake so namerne in ustvarjajo več pore in mesta, kjer se lahko pojavijo katalitične reakcije, " je dejal Niu. "Ta novi material je bolj aktiven in zelo selektiven v primerjavi z MOF, ki ga proizvaja tradicionalno ogrevanje."

Zmanjšanje CO2 v CO

Znanstveniki NTU so testirali nov material v plinski komori, napolnjeni z ogljikovim dioksidom, v rednih časovnih presledkih pa so merili reakcijske produkte z uporabo plinske kromatografije in tehnike masne spektrometrije. Ugotovili so, da je v eni uri pri sobni temperaturi 1 g nikelj-organskega katalizatorja uspelo proizvesti 16.000 mikromolov ali 400 mililitrov ogljikovega monoksida. Poleg tega so ugotovili, da ima katalizator obetajočo stopnjo stabilnosti, ki ji je omogočila uporabo dalj časa.

Zmanjšanje ogljikovega dioksida s katalizatorji ni novo, toda drugi materiali običajno ustvarjajo več kemikalij v procesu. Največja skupna proizvodnja ogljikovega monoksida s tem materialom predstavlja novo stopnjo selektivnosti in nadzora, so poudarili raziskovalci.

Raziskovalci imajo nekaj pomislekov o tem, kako se pojavi ta selektivnost. Predlagata, da arhitektura njihovega fotokatalizatorja olajša anion ogljikovega dioksida, da se vežejo na reakcijska mesta, kar ostane malo prostora za odstranitev vodikovih ostankov. To bi omejilo prenos protonov, ki so potrebni za oblikovanje plinskega vodika, so povedali raziskovalci.

Raziskovalci so še dodatno potisnili nikelj-organski fotokatalizator, tako da so ga bogati z rodijevimi ali srebrovimi nanokristali, da bi ustvarili mravljinčne in ocetne kisline. Mravljinčna kislina, ki jo najdemo v mravljinčenju in kopičenju koprive, in ocetna kislina, glavna sestavina kisa, se v industriji zelo pogosto uporabljajo. Še pomembneje je, da so raziskovalci opazili, da so molekule teh izdelkov značilne dvokrogljične povezave, korak proti ustvarjanju višjih energetskih tekočih goriv z več ogljikovimi vezmi

"Svet sedaj potrebuje inovativne načine za ustvarjanje alternativ fosilnih goriv in za preprečevanje prekomernega CO2 v ozračju", je dejal Zheng. "Pretvorba CO2 v gorivo, ki uporablja sončno energijo, je globalni raziskovalni projekt. Gobasti nikelj-organski fotokatalizator, ki smo ga dokazali tukaj, je kritičen korak k praktični proizvodnji visokoogljičnih ogljikovih goriv, ​​ki uporabljajo sončno energijo."

menu
menu