Laajalle levinneen maaperämineraalin, α-rauta-(III)oksihydroksidin, havaittiin olevan kierrätettävä katalysaattori hiilidioksidin fotopelkistymiselle muurahaishapoksi. Kuva: professori Kazuhiko Maeda
CO2:n fotopelkistys kuljetettaviksi polttoaineiksi, kuten muurahaishapoksi (HCOOH), on hyvä tapa torjua ilmakehän nousevia CO2-pitoisuuksia. Tämän tehtävän helpottamiseksi Tokion teknillisen korkeakoulun tutkimusryhmä valitsi helposti saatavilla olevan rautapohjaisen mineraalin ja latasi sen alumiinioksidikantajalle kehittääkseen katalyytin, joka voi tehokkaasti muuntaa CO2:n HCOOH:ksi noin 90 %:n selektiivisyydellä!
Sähköautot ovat houkutteleva vaihtoehto monille ihmisille, ja keskeinen syy on se, että ne eivät tuota hiilidioksidipäästöjä. Suuri haittapuoli monille on kuitenkin niiden lyhyt toimintasäde ja pitkät latausajat. Tässä nestemäisillä polttoaineilla, kuten bensiinillä, on suuri etu. Niiden korkea energiatiheys tarkoittaa pitkiä toimintasäteitä ja nopeaa tankkausta.
Vaihtaminen bensiinistä tai dieselistä toiseen nestemäiseen polttoaineeseen voi poistaa hiilidioksidipäästöt säilyttäen samalla nestemäisten polttoaineiden edut. Esimerkiksi polttokennossa muurahaishappo voi käyttää moottoria samalla kun se vapauttaa vettä ja hiilidioksidia. Jos muurahaishappoa kuitenkin tuotetaan pelkistämällä ilmakehän CO2 HCOOH:ksi, ainoa nettotulos on vettä.
Ilmakehämme nousevat hiilidioksidipitoisuudet ja niiden vaikutus ilmaston lämpenemiseen ovat nyt yleisiä uutisia. Tutkijoiden kokeillessa erilaisia ​​lähestymistapoja ongelmaan, syntyi tehokas ratkaisu – ilmakehän ylimääräisen hiilidioksidin muuttaminen energiapitoisiksi kemikaaleiksi.
Polttoaineiden, kuten muurahaishapon (HCOOH), tuotanto CO2:n fotoreduktiolla auringonvalossa on herättänyt viime aikoina paljon huomiota, koska prosessilla on kaksinkertainen hyöty: se vähentää ylimääräisiä CO2-päästöjä ja auttaa myös minimoimaan nykyisen energiapulan. Erinomaisena vedyn kantajana, jolla on korkea energiatiheys, HCOOH voi tuottaa energiaa palamisen kautta vapauttaen samalla sivutuotteena vain vettä.
Jotta tämä tuottoisa ratkaisu toteutuisi, tutkijat ovat kehittäneet fotokatalyyttisiä järjestelmiä, jotka vähentävät hiilidioksidia auringonvalon avulla. Tämä järjestelmä koostuu valoa absorboivasta substraatista (eli valoherkistäjästä) ja katalyytistä, joka mahdollistaa CO2:n pelkistämiseen HCOOH:ksi tarvittavan useiden elektronien siirron. Ja näin alettiin etsiä sopivia ja tehokkaita katalyyttejä!
Hiilidioksidin fotokatalyyttinen pelkistys yleisesti käytettyjen yhdiste-infografiikoiden avulla. Kuva: Professori Kazuhiko Maeda
Tehokkuutensa ja kierrätyspotentiaalinsa ansiosta kiinteitä katalyyttejä pidetään parhaimpina ehdokkaina tähän tehtävään, ja vuosien varrella on tutkittu monien koboltti-, mangaani-, nikkeli- ja rautapohjaisten metalli-orgaanisten runkojen (MOF) katalyyttisiä ominaisuuksia. Jälkimmäisellä on joitakin etuja muihin metalleihin verrattuna. Useimmat tähän mennessä raportoidut rautapohjaiset katalyytit tuottavat kuitenkin päätuotteena vain hiilimonoksidia, eivät HCOOH:ta.
Tämä ongelma ratkaistiin kuitenkin nopeasti professori Kazuhiko Maedan johtaman Tokion teknillisen korkeakoulun (Tokyo Tech) tutkijaryhmän toimesta. Äskettäin Angewandte Chemie -kemian lehdessä julkaistussa tutkimuksessa ryhmä esitteli alumiinioksidiin (Al2O3) tuetun rautapohjaisen katalyytin, jossa käytetään α-rauta(III)oksihydroksidia (α-FeO ​​OH; geotiitti). Uudella α-FeO ​​OH/Al2O3-katalyytillä on erinomainen CO2:n muuntamiskyky HCOOH:ksi ja se on erittäin kierrätettävä. Kysyttäessä katalyytin valinnasta professori Maeda sanoi: "Haluamme tutkia runsaammin esiintyviä alkuaineita katalyytteinä CO2-fotoreduktiojärjestelmissä. Tarvitsemme kiinteän katalyytin, joka on aktiivinen, kierrätettävä, myrkytön ja edullinen. Siksi valitsimme kokeisiimme laajalti esiintyviä maaperämineraaleja, kuten götiittiä."
Tiimi käytti yksinkertaista kyllästysmenetelmää katalyyttinsä syntetisoimiseksi. Sitten he käyttivät rautapohjaisia ​​Al2O3-materiaaleja hiilidioksidin fotokatalyyttiseen pelkistämiseen huoneenlämmössä ruteniumpohjaisen (Ru) valoherkistäjän, elektronidonorin ja yli 400 nanometrin aallonpituuksilla olevan näkyvän valon läsnä ollessa.
Tulokset ovat erittäin rohkaisevia. Heidän järjestelmänsä selektiivisyys päätuotteelle HCOOH:lle oli 80–90 % ja kvanttisaanto 4,3 % (mikä osoittaa järjestelmän tehokkuuden).
Tässä tutkimuksessa esitellään ensimmäinen laatuaan oleva rautapohjainen kiinteä katalyytin, joka voi tuottaa HCOOH:ta yhdistettynä tehokkaaseen valoherkistäjään. Tutkimuksessa käsitellään myös oikean tukimateriaalin (Al2O3) merkitystä ja sen vaikutusta fotokemialliseen pelkistysreaktioon.
Tämän tutkimuksen havainnot voivat auttaa kehittämään uusia jalometalleja sisältämättömiä katalyyttejä hiilidioksidin fotopelkistykseen muiksi hyödyllisiksi kemikaaleiksi. ”Tutkimuksemme osoittaa, että tie vihreään energiatalouteen ei ole monimutkainen. Jopa yksinkertaiset katalyyttien valmistusmenetelmät voivat tuottaa erinomaisia ​​tuloksia, ja on hyvin tunnettua, että maapallolla runsaasti esiintyviä yhdisteitä, jos niitä tukevat esimerkiksi alumiinioksidi, voidaan käyttää selektiivisenä katalyyttinä CO2-päästöjen vähentämiseen”, professori Maeda päättelee.
Viitteet: Daehyeon An, tohtori Shunta Nishioka, tohtori Shuhei Yasuda, tohtori Tomoki Kanazawa, tohtori Yoshinobu Kamkifu Y..tooki: "Alumiinioksidilla tuettu alfa-rauta(III)-oksihydroksidi kierrätettävänä kiinteänä katalyyttinä CO2-valopelkistykseen näkyvässä valossa" Shunsuke Nozawa, prof. Kazuhiko Maeda, 12. toukokuuta 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
”Siinä nestemäisillä polttoaineilla, kuten bensiinillä, on suuri etu. Niiden korkea energiatiheys tarkoittaa pitkiä toimintasäteitä ja nopeaa tankkausta.”
Entäpä joitakin lukuja? Miten muurahaishapon energiatiheys vertautuu bensiiniin? Koska kemiallisessa kaavassa on vain yksi hiiliatomi, epäilen, että se edes pääsisi lähelle bensiiniä.
Lisäksi haju on erittäin myrkyllinen ja happona se on syövyttävämpää kuin bensiini. Nämä eivät ole ratkaisemattomia teknisiä ongelmia, mutta ellei muurahaishappo tarjoa merkittäviä etuja toimintasäteen pidentämisessä ja akun latausajan lyhentämisessä, se ei luultavasti ole vaivan arvoista.
Jos he aikoisivat louhia goetiittia maaperästä, se olisi energiaintensiivinen kaivostoiminta ja mahdollisesti haitallista ympäristölle.
He saattavat mainita paljon goetiittia maaperässä, koska epäilen, että tarvittavien raaka-aineiden hankkiminen ja niiden reagointi goetiitin syntetisoimiseksi vaatisi enemmän energiaa.
On tarpeen tarkastella prosessin koko elinkaarta ja laskea kaiken energiakustannukset. NASA ei löytänyt sellaista asiaa kuin ilmainen laukaisu. Muiden on pidettävä tämä mielessä.
SciTechDaily: Parhaiden teknologia-uutisten koti vuodesta 1998. Pysy ajan tasalla uusimmista teknologia-uutisista sähköpostitse tai sosiaalisen median kautta.
Jo pelkkä ajatus grillin savuisista ja päihdyttävistä mauista saa useimpien ihmisten kuolaamaan. Kesä on täällä, ja monille…