Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Колумбийского университета разработали метод преобразования углекислого газа (CO2), мощного парникового газа, в углеродные нановолокна, материал с широким спектром уникальных свойств и множеством потенциальных долгосрочных применений. Их стратегия заключается в последовательном использовании электрохимических и термохимических реакций, происходящих 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, тем самым компенсируя или даже достигая отрицательных выбросов углерода.
Цзингуан Чен, профессор химического машиностроения Колумбийского университета, который руководил исследованием, сказал: «Мы можем поместить углеродные нановолокна в цемент, чтобы повысить прочность цемента. Это удержит углерод в бетоне как минимум на 50 лет, а может и дольше. К тому времени мир должен в основном перейти на возобновляемые источники энергии, которые не выделяют углерод».
Кроме того, в результате этого процесса образуется водород (H2), многообещающее альтернативное топливо, которое при использовании производит нулевые выбросы.
Стратегия электрокаталитически-термокаталитического тандемного производства CNF позволяет обойти термодинамические ограничения за счет сочетания соэлектролитической конверсии CO2 и воды в синтез-газ (CO и H2) с последующими термохимическими процессами в мягких условиях (370-450°C, давление окружающей среды). Это приводит к более высокой производительности CNF. Оптимальная синергия сплава железо-кобальт (FeCo) и дополнительного металла Co усиливает активацию диссоциации синтез-газа и способствует образованию углерод-углеродных связей с образованием УНВ. Источник: ZhenhuaXie/Брукхейвенская национальная лаборатория и Колумбийский университет.
улавливать или преобразовывать углерод
Идея улавливания углекислого газа или преобразования его в другие материалы для борьбы с изменением климата не нова. Но простое хранение углекислого газа может привести к утечкам. Многие проекты по конверсии CO2 производят химические вещества или топливо на основе углерода, которые немедленно используются, что приводит к выбросу CO2 обратно в атмосферу.
"Новинка этой работы заключается в том, что мы пытаемся преобразовать углекислый газ в твердые полезные вещества с добавленной стоимостью", - сказал Чен.
Этот твердый углеродный материал, в состав которого входят углеродные нанотрубки и нановолокна размером всего в миллиардную долю метра, обладает множеством привлекательных свойств, включая прочность, тепло- и электропроводность. Но извлечь углерод из углекислого газа и собрать его в эти хрупкие структуры — непростая задача. Для прямого термического процесса требуется температура, превышающая 1000 градусов Цельсия.
Это крайне нереально для крупномасштабного сокращения выбросов углекислого газа. Напротив, исследователи обнаружили процесс, который может происходить при температуре около 400 градусов по Цельсию, более практичной и промышленно достижимой температуре.
Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (ПЭМ) показывает кончики углеродных нановолокон, полученных на термическом катализаторе из оксида железа-кобальта/церия (FeCo/CeO2) (слева). Ученые использовали сканирующую трансмиссионную электронную микроскопию (STEM), кольцевую визуализацию в темном поле под большим углом (HAADF) и энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию (EDS), чтобы составить карту структуры и химического состава вновь образованных углеродных нановолокон (справа) (масштабная линейка представляет 8 нанометров). На изображении видно, что нановолокна состоят из углерода (C), и видно, что каталитические металлы железо (Fe) и кобальт (Co) отталкиваются от каталитической поверхности и собираются на кончиках нановолокон. Источник: Центр функциональных наноматериалов/Брукхейвенская национальная лаборатория.
Двухэтапный метод последовательно
Хитрость заключается в том, чтобы разбить реакцию на этапы и использовать два разных типа катализаторов — материалов, которые облегчают молекулам собираться вместе и вступать в реакцию.
«Если разбить реакцию на этапы подреакции, можно рассмотреть возможность использования различных типов энергозатрат и катализаторов, чтобы каждая часть реакции работала», — сказал Чжэньхуа Се, первый автор статьи и научный сотрудник Брукхейвенской лаборатории и Колумбийского университета.
Ученые впервые поняли, что окись углерода (CO) является лучшим исходным материалом, чем диоксид углерода, для изготовления углеродных нановолокон (УНВ). Затем они работали в обратном порядке, чтобы найти наиболее эффективный способ получения угарного газа из углекислого газа.
Предыдущая работа их группы привела их к использованию коммерчески доступного электрокатализатора, изготовленного из палладия, нанесенного на углерод. Электрокатализаторы используют электрический ток для запуска химических реакций. Под действием электронов и протонов катализатор разделяет углекислый газ и воду (H2O) на углекислый газ и H2.
На втором этапе ученые использовали активируемый нагреванием термический катализатор, изготовленный из сплава железа и кобальта. Катализатор работает при температуре около 400 градусов Цельсия, что намного ниже, чем требуется для прямого преобразования углекислого газа в хлорированные нафталины. Они также обнаружили, что добавление дополнительного количества металлического кобальта значительно ускоряет образование углеродных нановолокон.
«Объединив электрокатализ и термический катализ, мы используем этот тандемный процесс для достижения эффектов, которых невозможно достичь ни одним из процессов», — сказал Чен.
Характеристика катализатора
Чтобы изучить детали работы этих катализаторов, ученые провели многочисленные эксперименты. Эксперименты включают в себя исследования компьютерного моделирования на Национальном источнике синхротронного излучения II (NSLS-II) Брукхейвенской лаборатории (с использованием линий быстрого поглощения и рассеяния рентгеновских лучей (QAS) и спектроскопии внутренней оболочки (ISS), исследования физических и химических характеристик, а также микроскопические изображения на установке электронной микроскопии в Лабораторном Центре функциональных наноматериалов (CFN).
Что касается моделирования, ученые использовали расчеты «теории функционала плотности» (DFT) для анализа расположения атомов и других характеристик катализатора при его взаимодействии с активной химической средой.
«Мы изучаем структуру катализатора, чтобы определить стабильную фазу катализатора в условиях реакции», — объясняет соавтор исследования Пин Лю из Департамента культуры Брукфилда, который руководил 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 можем точно понять, как действует катализатор во время реакции».
Эксперименты по дифракции рентгеновских лучей и поглощению рентгеновских лучей, проведенные на NSLS-II, отслеживали физические и химические изменения катализатора во время реакции. Например, синхротронное рентгеновское излучение показало, как наличие электрического тока превращает металлический палладий в катализаторе в гидрид палладия, металл, который играет ключевую роль в производстве H2 и CO на первой стадии реакции.
На втором этапе «мы хотим знать, какова структура системы железо-кобальт в условиях реакции и как оптимизировать железо-кобальтовый катализатор», — сказал Се. Рентгеновские эксперименты подтвердили, что сплав железа и кобальта, а также некоторое количество дополнительного металлического кобальта присутствует и необходим для преобразования монооксида углерода в углеродные нановолокна. Оба работают по очереди, и расчеты ДПФ помогают объяснить этот процесс.
«Согласно нашим исследованиям, участки кобальт-железо в сплаве помогают разрывать связи CO в монооксиде углерода. Это делает атомарный углерод источником для создания углеродных нановолокон», — объяснила она: «Дополнительный кобальт помогает образовывать связи CC, соединяющие атомы углерода».
Пригоден для вторичной переработки, углеродоотрицательный
Анализ просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), проведенный в CFN, выявил морфологию, кристаллическую структуру и распределение элементов углеродных нановолокон с катализаторами и без них.
Изображения показывают, что по мере роста углеродных нановолокон катализатор выталкивается вверх и от поверхности. Это упрощает переработку каталитических металлов с использованием кислот для выщелачивания металлов без разрушения углеродных нановолокон, позволяя концентрировать и восстанавливать металлы для повторного использования в качестве катализаторов.
Исследователи говорят, что простота переработки катализатора, коммерческая доступность катализатора и относительно мягкие условия второй реакции способствуют благоприятной оценке энергетических и других связанных с этим затрат.
«Для практического применения очень важны как анализ выбросов углекислого газа, так и возможность вторичной переработки катализатора», — сказал Чен. «Наши технические результаты и другие анализы показывают, что эта тандемная стратегия открывает двери для декарбонизации CO2 в ценные продукты секвестрации углерода при одновременном производстве возобновляемого H2».
Если эти процессы будут основаны на возобновляемых источниках энергии, результаты будут действительно углеродно-отрицательными, открывая новые возможности для сокращения выбросов CO2.
Составлено из /ScitechDaily