Laialdaselt levinud mulla mineraal α-raud-(III)oksühüdroksiid osutus taaskasutatavaks katalüsaatoriks süsinikdioksiidi fotoredutseerimiseks sipelghappeks. Autor: prof. Kazuhiko Maeda
CO2 fotoredutseerimine transporditavateks kütusteks, näiteks sipelghappeks (HCOOH), on hea viis atmosfääris tõusva CO2 taseme vastu võitlemiseks. Selle ülesande täitmiseks valis Tokyo Tehnoloogiainstituudi uurimisrühm kergesti kättesaadava rauapõhise mineraali ja laadis selle alumiiniumoksiidi kandjale, et töötada välja katalüsaator, mis suudab CO2 tõhusalt muuta HCOOH-ks, umbes 90% selektiivsusega!
Elektriautod on paljude inimeste jaoks atraktiivne valik ja peamine põhjus on see, et need ei tekita süsinikdioksiidi heitkoguseid. Paljude jaoks on aga suureks miinuseks nende vähene sõiduulatus ja pikk laadimisaeg. Siin on vedelkütustel, näiteks bensiinil, suur eelis. Nende kõrge energiatihedus tähendab pikka sõiduulatust ja kiiret tankimist.
Üleminek bensiinilt või diislikütuselt teisele vedelkütusele võib kõrvaldada süsinikdioksiidi heitkogused, säilitades samal ajal vedelkütuste eelised. Näiteks kütuseelemendis võib sipelghape mootorit käitada, vabastades samal ajal vett ja süsinikdioksiidi. Kui aga sipelghapet toodetakse atmosfääri CO2 redutseerimisel HCOOH-ks, siis on ainus netotoodang vesi.
Meie atmosfääri tõusev süsinikdioksiidi tase ja selle panus globaalsesse soojenemisse on nüüdseks üldlevinud uudis. Teadlased katsetasid probleemi lahendamiseks erinevaid lähenemisviise ja leidsid tõhusa lahenduse – muuta atmosfääris olev liigne süsinikdioksiid energiarikasteks kemikaalideks.
Selliste kütuste nagu sipelghape (HCOOH) tootmine CO2 fotoreduktsiooni teel päikesevalguses on viimasel ajal palju tähelepanu pälvinud, kuna protsessil on kahekordne eelis: see vähendab liigset CO2 heitkogust ja aitab minimeerida ka energiapuudust, millega me praegu silmitsi seisame. Suurepärase vesinikukandjana, millel on kõrge energiatihedus, suudab HCOOH põlemise teel energiat toota, eraldades samal ajal kõrvalproduktina ainult vett.
Selle tulusa lahenduse elluviimiseks on teadlased välja töötanud fotokatalüütilised süsteemid, mis vähendavad päikesevalguse abil süsinikdioksiidi. See süsteem koosneb valgust neelava substraadi (st fotosensibilisaatori) ja katalüsaatorist, mis võimaldab CO2 redutseerimiseks HCOOH-ks vajalikku mitmekordset elektronülekannet. Ja nii hakati otsima sobivaid ja tõhusaid katalüsaatoreid!
Süsinikdioksiidi fotokatalüütiline redutseerimine tavaliselt kasutatavate ühendite infograafikute abil. Autor: professor Kazuhiko Maeda
Tänu oma tõhususele ja potentsiaalsele taaskasutatavusele peetakse tahkeid katalüsaatoreid selle ülesande parimateks kandidaatideks ning aastate jooksul on uuritud paljude koobalti-, mangaani-, nikli- ja rauapõhiste metallorgaaniliste raamide (MOF) katalüütilisi võimeid, mille hulgas on viimasel teatud eelised teiste metallide ees. Siiski toodavad enamik seni teatatud rauapõhiseid katalüsaatoreid peamise produktina ainult süsinikmonooksiidi, mitte HCOOH-d.
Selle probleemi lahendas aga kiiresti Tokyo Tehnoloogiainstituudi (Tokyo Tech) teadlaste meeskond professor Kazuhiko Maeda juhtimisel. Hiljuti keemiaajakirjas Angewandte Chemie avaldatud uuringus demonstreeris meeskond alumiiniumoksiidil (Al2O3) põhinevat rauapõhist katalüsaatorit, mis kasutab α-raud(III) oksühüdroksiidi (α-FeO ​​OH; geotiit). Uudne α-FeO ​​OH/Al2O3 katalüsaator näitab suurepärast CO2 muundamise jõudlust HCOOH-ks ja suurepärast taaskasutatavust. Küsimusele katalüsaatori valiku kohta vastas professor Maeda: „Tahame uurida rohkemate elementide kasutamist katalüsaatoritena CO2 fotoreduktsioonisüsteemides. Vajame tahket katalüsaatorit, mis on aktiivne, taaskasutatav, mittetoksiline ja odav. Seetõttu valisime oma katseteks laialt levinud mulla mineraalid, näiteks götiidi.“
Meeskond kasutas oma katalüsaatori sünteesimiseks lihtsat immutusmeetodit. Seejärel kasutasid nad rauaga toetatud Al2O3 materjale, et fotokatalüütiliselt redutseerida CO2 toatemperatuuril ruteeniumipõhise (Ru) fotosensibilisaatori, elektronidoonori ja nähtava valguse juuresolekul lainepikkusega üle 400 nanomeetri.
Tulemused on väga julgustavad. Nende süsteemi selektiivsus põhiprodukti HCOOH suhtes oli 80–90% ja kvantsaagis 4,3% (mis näitab süsteemi efektiivsust).
See uuring esitleb esimest omataolist rauapõhist tahket katalüsaatorit, mis suudab koos tõhusa fotosensibilisaatoriga genereerida HCOOH-d. Samuti käsitletakse sobiva tugimaterjali (Al2O3) olulisust ja selle mõju fotokeemilisele redutseerimisreaktsioonile.
Selle uuringu tulemused võivad aidata arendada uusi väärismetallivabu katalüsaatoreid süsinikdioksiidi fotoredutseerimiseks teisteks kasulikeks kemikaalideks. „Meie uuringud näitavad, et tee rohelise energia majanduse poole ei ole keeruline. Isegi lihtsad katalüsaatori valmistamise meetodid võivad anda suurepäraseid tulemusi ning on hästi teada, et maakeral leiduvaid ühendeid saab koos selliste ühenditega nagu alumiiniumoksiid kasutada CO2 vähendamiseks selektiivse katalüsaatorina,“ järeldab professor Maeda.
Viited: Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, dr Shuhei Yasuda, dr Tomoki Kanazawa, dr. Yoshinobu Kamkifura, Professionaali oksühüdroksiid kui ringlussevõetav tahke katalüsaator CO2 fotoreduktsiooniks nähtava valguse all. Shunsuke Nozawa, prof Kazuhiko Maeda, 12. mai 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
„Selles on vedelkütustel, näiteks bensiinil, suur eelis. Nende kõrge energiatihedus tähendab pikki sõiduulatust ja kiiret tankimist.“
Kuidas oleks mõne numbriga? Kuidas on sipelghappe energiatihedus võrreldav bensiiniga? Kuna keemilises valemis on ainult üks süsinikuaatom, kahtlen, kas see isegi bensiinile ligilähedane oleks.
Lisaks sellele on lõhn väga mürgine ja happena söövitavam kui bensiin. Need ei ole lahendamatud tehnilised probleemid, kuid kui sipelghape ei paku olulisi eeliseid sõiduulatuse suurendamisel ja aku laadimisaja lühendamisel, pole see ilmselt vaeva väärt.
Kui nad plaaniksid goetiiti pinnasest kaevandada, oleks see energiamahukas kaevandustegevus ja potentsiaalselt kahjulik keskkonnale.
Nad võivad mainida palju goetiiti mullas, kuna ma kahtlustan, et vajalike toorainete hankimine ja nende reageerimine goetiidi sünteesimiseks nõuab rohkem energiat.
On vaja vaadata kogu protsessi elutsüklit ja arvutada kõige energiakulu. NASA ei leidnud sellist asja nagu tasuta start. Teised peaksid seda meeles pidama.
SciTechDaily: Parimad tehnoloogiauudised alates 1998. aastast. Hoidke end kursis viimaste tehnoloogiauudistega e-posti või sotsiaalmeedia kaudu.
Juba ainuüksi mõtlemine grilli suitsustele ja joovastavatele maitsetele paneb enamikul inimestel sülje jooksma. Suvi on käes ja paljude jaoks...