Ученые разработали способ преобразования углекислого газа (CO2), мощного парникового газа, в углеродные нановолокна

Разработали способ преобразования мощного парникового газа, в углеродные нановолокна, материалы с широким спектром уникальных свойств и множеством потенциальных долгосрочных применений. Их стратегия использует тандемные электрохимические и термохимические реакции, протекающие при относительно низких температурах и давлении окружающей среды, и может успешно удерживать углерод, чтобы компенсировать или даже достигать отрицательных выбросов углерода.

Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Колумбийского университета разработали способ преобразования углекислого газа (CO 2 сильнодействующего парникового газа, в углеродные нановолокна, материалы с широким спектром уникальных свойств и множеством потенциальных долгосрочных возможностей. -термин использования. Их стратегия использует тандемные электрохимические и термохимические реакции, протекающие при относительно низких температурах и давлении окружающей среды. Как описывают ученые в журнале Nature Catalysis этот подход может успешно удерживать углерод в полезной твердой форме, чтобы компенсировать или даже достигать отрицательных выбросов углерода.

«Вы можете поместить углеродные нановолокна в цемент, чтобы укрепить цемент», сказал Цзингуан Чен, профессор химического машиностроения в Колумбийском университете, работающий по совместительству в Брукхейвенской лаборатории и руководивший исследованием. «Это заблокирует углерод в бетоне как минимум на 50 лет, а потенциально и дольше. К тому времени мир должен перейти в первую очередь к возобновляемым источникам энергии, которые не выделяют углерод».

В качестве бонуса этот процесс также производит газообразный водород (H 2 многообещающее альтернативное топливо, которое при использовании создает нулевые выбросы.

Улавливание или преобразование углерода

Идея улавливания CO 2 или преобразования его в другие материалы для борьбы с изменением климата не нова. Но простое хранение газа CO 2 может привести к утечкам. И многие преобразования CO 2 производят химические вещества или топливо на основе углерода, которые используются сразу же, что высвобождает CO 2 обратно в атмосферу.

«Новинка этой работы заключается в том, что мы пытаемся преобразовать CO 2 во что-то полезное, но в твердой и полезной форме», сказал Чен.

Такие твердые углеродные материалы, в том числе углеродные нанотрубки и нановолокна с размерами в миллиардные доли метра, обладают многими привлекательными свойствами, включая прочность, тепло- и электропроводность. Но извлечь углерод из углекислого газа и собрать его в эти мелкомасштабные структуры непросто. Один прямой процесс, основанный на нагреве, требует температуры, превышающей 1000 градусов по Цельсию.

«Это очень нереально для крупномасштабного снижения выбросов CO 2 сказал Чен. «Напротив, мы обнаружили процесс, который может происходить при температуре около 400 градусов по Цельсию, что является гораздо более практичной и промышленно достижимой температурой».

Тандем в два шага

Хитрость заключалась в том, чтобы разбить реакцию на этапы и использовать два разных типа катализаторов материалов, которые облегчают молекулам собираться вместе и вступать в реакцию.

«Если вы разделите реакцию на несколько субреакционных стадий, вы можете рассмотреть возможность использования различных видов энергозатрат и катализаторов, чтобы заставить каждую часть реакции работать», сказал научный сотрудник Брукхейвенской лаборатории и Колумбийского университета Чжэньхуа Се, ведущий автор статьи.

Ученые начали с осознания того, что окись углерода (CO) является гораздо лучшим исходным материалом, чем CO 2 для изготовления углеродных нановолокон (CNF). Затем они вернулись, чтобы найти наиболее эффективный способ получения CO из CO 2 Более ранняя работа их группы побудила их использовать коммерчески доступный электрокатализатор из палладия, нанесенного на углерод. Электрокатализаторы запускают химические реакции с помощью электрического тока. В присутствии текущих электронов и протонов катализатор расщепляет CO 2 и воду (H 2 O) на CO и H 2 На втором этапе ученые обратились к термоактивируемому термокатализатору из сплава железа и кобальта. Он работает при температуре около 400 градусов по Цельсию, что значительно мягче, чем требуется для прямого преобразования CO 2 в CNF. Они также обнаружили, что добавление небольшого количества металлического кобальта значительно ускоряет образование углеродных нановолокон.

«Объединив электрокатализ и термокатализ, мы используем этот тандемный процесс для достижения того, чего невозможно достичь ни одним из процессов в отдельности», сказал Чен.

Характеристика катализатора

Чтобы выяснить детали того, как работают эти катализаторы, ученые провели широкий спектр экспериментов. Они включали исследования по компьютерному моделированию, исследования физических и химических характеристик в Национальном источнике синхротронного света II (NSLS-II) Брукхейвенской лаборатории с использованием каналов быстрого поглощения и рассеяния рентгеновских лучей (QAS) и спектроскопии внутренней оболочки (ISS) и микроскопическая визуализация в лаборатории электронной микроскопии Центра функциональных наноматериалов (CFN).

Что касается моделирования, ученые использовали расчеты «теории функционала плотности» (DFT) для анализа расположения атомов и других характеристик катализаторов при взаимодействии с активной химической средой.

«Мы изучаем структуры, чтобы определить, какие фазы катализатора являются стабильными в условиях реакции», объяснил соавтор исследования Пин Лю из химического отдела Брукхейвена, который руководил этими расчетами. «Мы изучаем активные центры и то, как эти центры связываются с промежуточными продуктами реакции. Определяя барьеры или переходные состояния от одного этапа к другому, мы точно узнаем, как катализатор функционирует во время реакции».

Эксперименты по дифракции рентгеновских лучей и поглощению рентгеновских лучей на NSLS-II позволили отследить, как катализаторы изменяются физически и химически во время реакций. Например, синхротронное рентгеновское излучение показало, как присутствие электрического тока превращает металлический палладий в катализаторе в гидрид палладия, металл, который играет ключевую роль в производстве как H 2 так и CO на первой стадии реакции.

Что касается второго этапа: «Мы хотели знать, какова структура системы железо-кобальт в условиях реакции и как оптимизировать железо-кобальтовый катализатор», сказал Се. Рентгеновские эксперименты подтвердили, что присутствуют как сплав железа и кобальта, так и некоторое количество дополнительного металлического кобальта, которые необходимы для преобразования CO в углеродные нановолокна.

«Они работают вместе последовательно», сказал Лю, чьи расчеты ДПФ помогли объяснить этот процесс.

«Согласно нашему исследованию, кобальт-железные участки в сплаве помогают разорвать связи CO монооксида углерода. Это делает атомарный углерод доступным, чтобы служить источником для создания углеродных нановолокон. Тогда дополнительный кобальт способствует образованию связи CC, которые соединяют атомы углерода», объяснила она.

Готов к вторичной переработке, с отрицательным выбросом углерода

«Анализ просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), проведенный в CFN, выявил морфологию, кристаллическую структуру и распределение элементов внутри углеродных нановолокон как с катализаторами, так и без них», сказал ученый CFN и соавтор исследования Суён Хван.

Изображения показывают, что по мере роста углеродных нановолокон катализатор выталкивается вверх и от поверхности. По словам Чэня, это упрощает переработку каталитического металла.

«Мы используем кислоту для выщелачивания металла, не разрушая углеродное нановолокно, поэтому мы можем сконцентрировать металлы и переработать их для повторного использования в качестве катализатора», сказал он.

По словам исследователей, простота переработки катализатора, коммерческая доступность катализаторов и относительно мягкие условия реакции для второй реакции способствуют благоприятной оценке энергетических и других затрат, связанных с процессом.

«Для практического применения оба фактора действительно важны анализ выбросов CO 2 и возможность вторичной переработки катализатора», сказал Чен. «Наши технические результаты и другие анализы показывают, что эта тандемная стратегия открывает двери для декарбонизации CO 2 в ценные твердые углеродные продукты при одновременном производстве возобновляемого H 2 Если эти процессы будут стимулироваться возобновляемыми источниками энергии, результаты будут действительно углеродно-отрицательными, открывая новые возможности для снижения выбросов CO 2 Это исследование было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США (BES). Расчеты DFT были выполнены с использованием вычислительных ресурсов CFN и Национального научно-вычислительного центра энергетических исследований (NERSC) Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики. NSLS-II, CFN и NERSC являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США.