Et vidt udbredt jordmineral, α-jern-(III)oxyhydroxid, viste sig at være en genanvendelig katalysator til fotoreduktion af kuldioxid til myresyre. Kilde: Prof. Kazuhiko Maeda
Fotoreduktion af CO2 til transportable brændstoffer såsom myresyre (HCOOH) er en god måde at bekæmpe stigende CO2-niveauer i atmosfæren. For at hjælpe med denne opgave valgte et forskerhold ved Tokyo Institute of Technology et let tilgængeligt jernbaseret mineral og fyldte det på en aluminiumoxidbærer for at udvikle en katalysator, der effektivt kan omdanne CO2 til HCOOH, omkring 90% selektivitet!
Elbiler er en attraktiv mulighed for mange mennesker, og en vigtig årsag er, at de ikke har nogen CO2-udledning. En stor ulempe for mange er dog deres manglende rækkevidde og lange opladningstider. Det er her, flydende brændstoffer som benzin har en stor fordel. Deres høje energitæthed betyder lange rækkevidder og hurtig optankning.
Skift fra benzin eller diesel til et andet flydende brændstof kan eliminere kulstofemissioner, samtidig med at fordelene ved flydende brændstoffer bevares. I en brændselscelle kan myresyre for eksempel drive en motor, mens den frigiver vand og kuldioxid. Men hvis myresyre produceres ved at reducere atmosfærisk CO2 til HCOOH, er den eneste nettoproduktion vand.
Stigende kuldioxidniveauer i vores atmosfære og deres bidrag til global opvarmning er nu almindelige nyheder. Efterhånden som forskere eksperimenterede med forskellige tilgange til problemet, dukkede der en effektiv løsning op – at omdanne overskydende kuldioxid i atmosfæren til energirige kemikalier.
Produktionen af ​​brændstoffer som myresyre (HCOOH) ved fotoreduktion af CO2 i sollys har tiltrukket sig stor opmærksomhed for nylig, fordi processen har en dobbelt fordel: den reducerer overskydende CO2-udledning og hjælper også med at minimere den energi, vi i øjeblikket står over for. Som en fremragende bærer for brint med høj energitæthed kan HCOOH levere energi gennem forbrænding, mens den kun frigiver vand som et biprodukt.
For at gøre denne lukrative løsning til virkelighed har forskere udviklet fotokatalytiske systemer, der reducerer kuldioxid ved hjælp af sollys. Dette system består af et lysabsorberende substrat (dvs. en fotosensibilisator) og en katalysator, der muliggør den multiple elektronoverførsel, der kræves til reduktion af CO2 til HCOOH. Og dermed begyndte man at søge efter egnede og effektive katalysatorer!
Fotokatalytisk reduktion af kuldioxid ved hjælp af almindeligt anvendte sammensatte infografik. Kilde: Professor Kazuhiko Maeda
På grund af deres effektivitet og potentielle genanvendelighed betragtes faste katalysatorer som de bedste kandidater til denne opgave, og gennem årene er de katalytiske egenskaber hos mange kobolt-, mangan-, nikkel- og jernbaserede metalorganiske rammeværk (MOF'er) blevet udforsket, hvoraf sidstnævnte har nogle fordele i forhold til andre metaller. Imidlertid producerer de fleste jernbaserede katalysatorer, der hidtil er rapporteret, kun kulilte som hovedprodukt, ikke HCOOH.
Dette problem blev imidlertid hurtigt løst af et forskerhold ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) ledet af professor Kazuhiko Maeda. I en nylig undersøgelse offentliggjort i det kemiske tidsskrift Angewandte Chemie demonstrerede holdet en jernbaseret katalysator baseret på aluminiumoxid (Al2O3) ved hjælp af α-jern(III)oxyhydroxid (α-FeO​​​OH; geothit). Den nye α-FeO​​​OH/Al2O3-katalysator udviser fremragende CO2 til HCOOH-konverteringsevne og fremragende genanvendelighed. Da professor Maeda blev spurgt om deres valg af katalysator, sagde han: "Vi ønsker at udforske mere rigelige elementer som katalysatorer i CO2-fotoreduktionssystemer. Vi har brug for en fast katalysator, der er aktiv, genanvendelig, giftfri og billig. Derfor valgte vi vidt udbredte jordmineraler som goethit til vores eksperimenter."
Holdet anvendte en simpel imprægneringsmetode til at syntetisere deres katalysator. De brugte derefter jernbaserede Al2O3-materialer til fotokatalytisk at reducere CO2 ved stuetemperatur i nærvær af en rutheniumbaseret (Ru) fotosensibilisator, elektrondonor og synligt lys med bølgelængder over 400 nanometer.
Resultaterne er meget opmuntrende. Selektiviteten af ​​deres system for hovedproduktet HCOOH var 80-90% med et kvanteudbytte på 4,3% (hvilket indikerer systemets effektivitet).
Denne undersøgelse præsenterer en jernbaseret fast katalysator af sin slags, der kan generere HCOOH, når den parres med en effektiv fotosensibilisator. Den diskuterer også vigtigheden af ​​​​korrekt bærermateriale (Al2O3) og dets effekt på den fotokemiske reduktionsreaktion.
Indsigt fra denne forskning kan muligvis bidrage til at udvikle nye ædelmetalfri katalysatorer til fotoreduktion af kuldioxid til andre nyttige kemikalier. "Vores forskning viser, at vejen til en grøn energiøkonomi ikke er kompliceret. Selv simple katalysatorfremstillingsmetoder kan give fantastiske resultater, og det er velkendt, at jordrige forbindelser, hvis de understøttes af forbindelser som aluminiumoxid, kan bruges som en selektiv katalysator til CO2-reduktion," konkluderer professor Maeda.
Referencer: "Aluminiumoxid-understøttet Alpha-Iron (III) Oxyhydroxide som en genanvendelig fast katalysator for CO2-fotoreduktion under synligt lys" af Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof. Kazuhiko Maeda, 12. maj 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
"Det er her, flydende brændstoffer som benzin har en stor fordel. Deres høje energitæthed betyder lange rækkevidder og hurtig optankning."
Hvad med nogle tal? Hvordan er energitætheden af ​​myresyre sammenlignet med benzin? Med kun ét kulstofatom i den kemiske formel tvivler jeg på, at den overhovedet ville komme i nærheden af ​​benzin.
Derudover er lugten meget giftig, og som syre er den mere ætsende end benzin. Dette er ikke uløselige tekniske problemer, men medmindre myresyre giver betydelige fordele ved at øge rækkevidden og reducere batteriets optankningstid, er det sandsynligvis ikke umagen værd.
Hvis de planlagde at udvinde goethit fra jorden, ville det være en energikrævende minedrift og potentielt skadelig for miljøet.
De nævner måske en masse goethit i jorden, da jeg formoder, at det ville kræve mere energi at få de nødvendige råmaterialer og reagere med dem for at syntetisere goethit.
Det er nødvendigt at se på hele processens livscyklus og beregne energiomkostningerne for alting. NASA fandt ikke noget, der hedder en gratis opsendelse. Andre skal huske på dette.
SciTechDaily: Hjem for de bedste tech-nyheder siden 1998. Hold dig opdateret med de seneste tech-nyheder via e-mail eller sociale medier.
Bare tanken om de røgede og berusende smage af BBQ er nok til at få de fleste til at savle. Sommeren er her, og for mange ...