Ugotovljeno je bilo, da je široko razširjen mineral v tleh, α-železov-(III) oksihidroksid, reciklirni katalizator za fotoredukcijo ogljikovega dioksida v mravljinčno kislino. Avtor fotografije: prof. Kazuhiko Maeda
Fotoredukcija CO2 v prenosljiva goriva, kot je mravljinčna kislina (HCOOH), je dober način za boj proti naraščajočim ravnem CO2 v ozračju. Za pomoč pri tej nalogi je raziskovalna skupina na Tokijskem tehnološkem inštitutu izbrala lahko dostopen mineral na osnovi železa in ga nanesla na aluminijev nosilec, da bi razvila katalizator, ki lahko učinkovito pretvori CO2 v HCOOH, s približno 90-odstotno selektivnostjo!
Električna vozila so za mnoge ljudi privlačna možnost, ključni razlog pa je, da nimajo emisij ogljika. Velika slabost za mnoge pa je njihov majhen doseg in dolgi časi polnjenja. Tukaj imajo tekoča goriva, kot je bencin, veliko prednost. Njihova visoka energijska gostota pomeni dolg doseg in hitro polnjenje.
Prehod z bencina ali dizla na drugo tekoče gorivo lahko odpravi emisije ogljika, hkrati pa ohrani prednosti tekočih goriv. V gorivni celici lahko na primer mravljinčna kislina poganja motor, hkrati pa sprošča vodo in ogljikov dioksid. Če pa mravljinčna kislina nastane z redukcijo atmosferskega CO2 v HCOOH, je edini neto izhod voda.
Naraščajoče ravni ogljikovega dioksida v našem ozračju in njihov prispevek k globalnemu segrevanju so zdaj nekaj običajnega. Ko so raziskovalci eksperimentirali z različnimi pristopi k problemu, se je pojavila učinkovita rešitev – pretvorba presežnega ogljikovega dioksida v ozračju v energetsko bogate kemikalije.
Proizvodnja goriv, ​​kot je mravljinčna kislina (HCOOH), s fotoredukcijo CO2 v sončni svetlobi je v zadnjem času pritegnila veliko pozornosti, saj ima postopek dvojno korist: zmanjšuje presežne emisije CO2 in pomaga tudi zmanjšati pomanjkanje energije, s katero se trenutno soočamo. Kot odličen nosilec vodika z visoko energijsko gostoto lahko HCOOH zagotavlja energijo z zgorevanjem, pri čemer sprošča le vodo kot stranski produkt.
Da bi to donosno rešitev uresničili, so znanstveniki razvili fotokatalitične sisteme, ki s pomočjo sončne svetlobe zmanjšujejo ogljikov dioksid. Ta sistem je sestavljen iz substrata, ki absorbira svetlobo (tj. fotosenzibilizatorja) in katalizatorja, ki omogoča večkratni prenos elektronov, potreben za redukcijo CO2 v HCOOH. In tako so začeli iskati primerne in učinkovite katalizatorje!
Fotokatalitska redukcija ogljikovega dioksida z uporabo pogosto uporabljenih infografik o spojinah. Avtor fotografije: profesor Kazuhiko Maeda
Zaradi svoje učinkovitosti in potencialne možnosti recikliranja veljajo trdni katalizatorji za najboljše kandidate za to nalogo, skozi leta pa so bile raziskane katalitične zmogljivosti številnih kovinsko-organskih ogrodij (MOF) na osnovi kobalta, mangana, niklja in železa, med katerimi ima slednji nekaj prednosti pred drugimi kovinami. Vendar pa večina doslej poročanih katalizatorjev na osnovi železa proizvaja le ogljikov monoksid kot glavni produkt, ne pa HCOOH.
Vendar je to težavo hitro rešila ekipa raziskovalcev na Tehnološkem inštitutu v Tokiu (Tokyo Tech) pod vodstvom profesorja Kazuhika Maede. V nedavni študiji, objavljeni v kemijski reviji Angewandte Chemie, je ekipa predstavila katalizator na osnovi železa, ki ga podpira aluminijev oksid (Al2O3), z uporabo α-železovega(III) oksihidroksida (α-FeO​​​OH; geotit). Novi katalizator α-FeO​​​OH/Al2O3 kaže odlično učinkovitost pretvorbe CO2 v HCOOH in odlično recikliranje. Na vprašanje o izbiri katalizatorja je profesor Maeda dejal: »Želimo raziskati bolj razširjene elemente kot katalizatorje v sistemih za fotoredukcijo CO2. Potrebujemo trden katalizator, ki je aktiven, recikliran, nestrupen in poceni. Zato smo za naše poskuse izbrali široko razširjene minerale v tleh, kot je goethit.«
Ekipa je za sintezo katalizatorja uporabila preprosto metodo impregnacije. Nato so z materiali Al₂O₃, ki jih podpira železo, fotokatalitično zmanjšali CO₂ pri sobni temperaturi v prisotnosti fotosenzibilizatorja na osnovi rutenija (Ru), donorja elektronov in vidne svetlobe z valovnimi dolžinami nad 400 nanometrov.
Rezultati so zelo spodbudni. Selektivnost njihovega sistema za glavni produkt HCOOH je bila 80–90 % s kvantnim izkoristkom 4,3 % (kar kaže na učinkovitost sistema).
Ta študija predstavlja prvi te vrste trdni katalizator na osnovi železa, ki lahko v kombinaciji z učinkovitim fotosenzibilizatorjem ustvari HCOOH. Obravnava tudi pomen ustreznega nosilnega materiala (Al2O3) in njegov vpliv na fotokemično redukcijsko reakcijo.
Ugotovitve te raziskave bi lahko pomagale pri razvoju novih katalizatorjev brez žlahtnih kovin za fotoredukcijo ogljikovega dioksida v druge uporabne kemikalije. »Naše raziskave kažejo, da pot do zelenega energetskega gospodarstva ni zapletena. Tudi preproste metode priprave katalizatorjev lahko prinesejo odlične rezultate, dobro pa je znano, da se lahko spojine, ki jih na Zemlji pogosto najdemo v izobilju, če jih podpirajo spojine, kot je aluminijev oksid, uporabljajo kot selektivni katalizator za zmanjšanje CO2,« zaključuje prof. Maeda.
Reference: »Alfa-železovi (III) oksihidroksid, podprt z aluminijevim oksidom, kot trdni katalizator, ki ga je mogoče reciklirati, za fotoredukciju CO2 pod vidno svetlobo« Daehyeon An, dr. Shunta Nishioka, dr. Shuhei Yasuda, dr. Tomoki Kanazawa, dr. Yoshinobu Kamakura, prof.. Toshiyuki Yokoi, prof. Shunsuke Nozawa, prof. Kazuhiko Maeda, 12. maj 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
»Tukaj imajo tekoča goriva, kot je bencin, veliko prednost. Njihova visoka energijska gostota pomeni dolg doseg in hitro polnjenje.«
Kaj pa nekaj številk? Kakšna je energijska gostota mravljinčne kisline v primerjavi z bencinom? Z le enim atomom ogljika v kemijski formuli dvomim, da bi se sploh približala bencinu.
Poleg tega je vonj zelo strupen in kot kislina bolj koroziven kot bencin. To niso nerešljivi inženirski problemi, vendar se trud verjetno ne splača, če mravljinčna kislina ne ponuja pomembnih prednosti pri povečanju dosega in skrajšanju časa polnjenja baterije.
Če bi nameravali pridobivati ​​goethit iz zemlje, bi to bila energetsko intenzivna rudarska operacija in bi lahko škodovala okolju.
Morda bodo omenili veliko goethita v tleh, saj sumim, da bi bilo potrebno več energije za pridobitev potrebnih surovin in njihovo reakcijo za sintezo goethita.
Treba je pogledati celoten življenjski cikel procesa in izračunati stroške energije za vse. NASA ni našla ničesar takega kot prosta izstrelitev. Drugi morajo to upoštevati.
SciTechDaily: Dom najboljših tehnoloških novic od leta 1998. Bodite na tekočem z najnovejšimi tehnološkimi novicami prek e-pošte ali družbenih medijev.
Že sama misel na dimljene in opojne okuse žara je dovolj, da se večini ljudi cedijo sline. Poletje je tu in za mnoge ...