Plačiai paplitęs dirvožemio mineralas α-geležies-(III) oksihidroksidas pasirodė esąs perdirbamas katalizatorius anglies dioksido fotoredukcijai į skruzdžių rūgštį. Nuotrauka: prof. Kazuhiko Maeda
CO2 fotoredukcija į transportuojamą kurą, pvz., skruzdžių rūgštį (HCOOH), yra geras būdas kovoti su didėjančiu CO2 kiekiu atmosferoje. Siekdama padėti atlikti šią užduotį, Tokijo technologijos instituto tyrėjų komanda pasirinko lengvai prieinamą geležies pagrindo mineralą ir uždėjo jį ant aliuminio oksido nešiklio, kad sukurtų katalizatorių, kuris galėtų efektyviai paversti CO2 į HCOOH, pasiekdamas apie 90 % selektyvumą!
Elektrinės transporto priemonės yra patrauklus pasirinkimas daugeliui žmonių, ir pagrindinė priežastis yra ta, kad jos neišskiria anglies dioksido. Tačiau didelis trūkumas daugeliui yra mažas jų nuvažiuojamas atstumas ir ilgas įkrovimo laikas. Būtent čia didelį pranašumą turi skystasis kuras, pavyzdžiui, benzinas. Dėl didelio energijos tankio galima nuvažiuoti ilgą atstumą ir greitai papildyti degalus.
Perėjimas nuo benzino ar dyzelino prie kitokio skysto kuro gali panaikinti anglies dioksido išmetimą, išlaikant skystojo kuro privalumus. Pavyzdžiui, kuro elemente skruzdžių rūgštis gali varyti variklį, išskirdama vandenį ir anglies dioksidą. Tačiau jei skruzdžių rūgštis gaminama redukuojant atmosferos CO2 iki HCOOH, vienintelė grynoji išeiga yra vanduo.
Didėjantis anglies dioksido kiekis mūsų atmosferoje ir jo indėlis į visuotinį atšilimą dabar yra įprasta žinia. Tyrėjams eksperimentuojant su skirtingais problemos sprendimo būdais, atsirado veiksmingas sprendimas – atmosferoje esančio anglies dioksido perteklių paversti energiją turinčiomis cheminėmis medžiagomis.
Pastaruoju metu daug dėmesio sulaukia tokių degalų kaip skruzdžių rūgštis (HCOOH) gamyba fotoredukuojant CO2 saulės šviesoje, nes šis procesas turi dvigubą naudą: sumažina CO2 išmetimą ir padeda sumažinti energijos trūkumą, su kuriuo šiuo metu susiduriame. Būdamas puikiu vandenilio nešėju, pasižyminčiu dideliu energijos tankiu, HCOOH gali tiekti energiją degimo metu, o kaip šalutinį produktą išskiria tik vandenį.
Kad šis pelningas sprendimas taptų realybe, mokslininkai sukūrė fotokatalizines sistemas, kurios saulės šviesos pagalba sumažina anglies dioksido kiekį. Šią sistemą sudaro šviesą sugeriantis substratas (t. y. fotosensibilizatorius) ir katalizatorius, kuris įgalina daugybinį elektronų perdavimą, reikalingą CO2 redukcijai į HCOOH. Taip pradėta ieškoti tinkamų ir efektyvių katalizatorių!
Anglies dioksido fotokatalizinis redukavimas naudojant dažniausiai naudojamas sudėtines infografikas. Nuotrauka: profesorė Kazuhiko Maeda
Dėl savo efektyvumo ir galimo perdirbimo kietieji katalizatoriai laikomi geriausiais kandidatais šiai užduočiai atlikti, ir per daugelį metų buvo ištirtos daugelio kobalto, mangano, nikelio ir geležies pagrindu pagamintų metalo-organinių struktūrų (MOF) katalizinės galimybės, tarp kurių pastarasis turi tam tikrų pranašumų, palyginti su kitais metalais. Tačiau dauguma iki šiol aprašytų geležies pagrindu pagamintų katalizatorių kaip pagrindinį produktą gamina tik anglies monoksidą, o ne HCOOH.
Tačiau šią problemą greitai išsprendė Tokijo technologijos instituto (Tokijo technikos universitetas) tyrėjų komanda, vadovaujama profesorės Kazuhiko Maedos. Neseniai chemijos žurnale „Angewandte Chemie“ paskelbtame tyrime komanda pademonstravo aliuminio oksido (Al2O3) pagrindu pagamintą geležies katalizatorių, naudojantį α-geležies(III) oksihidroksidą (α-FeOOH; geotitą). Naujasis α-FeOOH/Al2O3 katalizatorius pasižymi puikiu CO2 konversijos į HCOOH našumu ir puikiu perdirbimu. Paklaustas apie katalizatoriaus pasirinkimą, profesorius Maeda sakė: „Norime ištirti daugiau gausių elementų kaip katalizatorių CO2 fotoredukcijos sistemose. Mums reikia kieto katalizatoriaus, kuris būtų aktyvus, perdirbamas, netoksiškas ir nebrangus. Štai kodėl savo eksperimentams pasirinkome plačiai paplitusius dirvožemio mineralus, tokius kaip goetitas.“
Komanda katalizatoriui sintetinti panaudojo paprastą impregnavimo metodą. Tada jie panaudojo geležimi paremtas Al2O3 medžiagas, kad fotokataliziškai sumažintų CO2 kambario temperatūroje, esant rutenio pagrindo (Ru) fotosensibilizatoriui, elektronų donorui ir matomai šviesai, kurios bangos ilgis viršija 400 nanometrų.
Rezultatai labai daug žadantys. Jų sistemos selektyvumas pagrindiniam produktui HCOOH buvo 80–90 %, o kvantinis išeiga – 4,3 % (tai rodo sistemos efektyvumą).
Šiame tyrime pristatomas pirmasis tokio tipo geležies pagrindu pagamintas kietasis katalizatorius, kuris kartu su efektyviu fotosensibilizatoriumi gali generuoti HCOOH. Taip pat aptariama tinkamos pagalbinės medžiagos (Al2O3) svarba ir jos poveikis fotocheminės redukcijos reakcijai.
Šio tyrimo įžvalgos gali padėti sukurti naujus tauriųjų metalų neturinčius katalizatorius anglies dioksido fotoredukcijai į kitas naudingas chemines medžiagas. „Mūsų tyrimai rodo, kad kelias į žaliosios energijos ekonomiką nėra sudėtingas. Net ir paprasti katalizatorių paruošimo metodai gali duoti puikių rezultatų, ir gerai žinoma, kad žemėje gausūs junginiai, jei juos palaiko tokie junginiai kaip aliuminio oksidas, gali būti naudojami kaip selektyvus katalizatorius CO2 mažinimui“, – apibendrina prof. Maeda.
Nuorodos: Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamkifura, Prof. Shunsuke Nozawa, prof. Kazuhiko Maeda, 2022 m. gegužės 12 d., Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
„Štai kur skystasis kuras, pavyzdžiui, benzinas, turi didelį pranašumą. Dėl didelio energijos tankio galima nuvažiuoti ilgą atstumą ir greitai papildyti degalus.“
O kaip dėl kelių skaičių? Koks skruzdžių rūgšties energijos tankis, palyginti su benzinu? Kadangi cheminėje formulėje yra tik vienas anglies atomas, abejoju, ar jis bent priartėtų prie benzino.
Be to, kvapas yra labai toksiškas ir, kaip rūgštis, yra labiau ėsdinantis nei benzinas. Tai nėra neišsprendžiamos inžinerinės problemos, tačiau jei skruzdžių rūgštis nesuteikia reikšmingų pranašumų didinant nuvažiuojamą atstumą ir sutrumpinant akumuliatoriaus įkrovimo laiką, tikriausiai neverta stengtis.
Jei jie planuotų išgauti goetitą iš dirvožemio, tai būtų energiją eikvojanti kasybos operacija ir potencialiai žalinga aplinkai.
Jie gali paminėti daug goetito dirvožemyje, nes įtariu, kad norint gauti reikiamas žaliavas ir jas susintetinti, reikėtų daugiau energijos.
Būtina atsižvelgti į visą proceso gyvavimo ciklą ir apskaičiuoti visko energijos sąnaudas. NASA nerado tokio dalyko kaip nemokamas paleidimas. Kitiems reikia tai turėti omenyje.
„SciTechDaily“: geriausių technologijų naujienų namai nuo 1998 m. Sekite naujausias technologijų naujienas el. paštu arba socialiniuose tinkluose.
Vien pagalvojus apie dūminius ir svaiginančius kepsnių skonius, daugumai žmonių seilės kaupiasi. Atėjo vasara, ir daugeliui...