Plaši izplatīts augsnes minerāls α-dzelzs-(III) oksihidroksīds izrādījās pārstrādājams katalizators oglekļa dioksīda fotoreducēšanai līdz skudrskābei. Attēla autors: prof. Kazuhiko Maeda.
CO2 fotoreducēšana līdz transportējamai degvielai, piemēram, skudrskābei (HCOOH), ir labs veids, kā cīnīties pret pieaugošo CO2 līmeni atmosfērā. Lai palīdzētu ar šo uzdevumu, Tokijas Tehnoloģiju institūta pētnieku komanda izvēlējās viegli pieejamu dzelzs bāzes minerālu un uzklāja to uz alumīnija oksīda nesēja, lai izstrādātu katalizatoru, kas var efektīvi pārvērst CO2 par HCOOH ar aptuveni 90% selektivitāti!
Elektroautomobiļi ir pievilcīga iespēja daudziem cilvēkiem, un galvenais iemesls ir tas, ka tiem nav oglekļa emisiju. Tomēr daudziem liels trūkums ir to ierobežotais nobraukums un ilgais uzlādes laiks. Šeit liela priekšrocība ir šķidrajām degvielām, piemēram, benzīnam. To augstais enerģijas blīvums nozīmē lielus nobraukumus un ātru degvielas uzpildīšanu.
Pāreja no benzīna vai dīzeļdegvielas uz citu šķidro degvielu var novērst oglekļa emisijas, vienlaikus saglabājot šķidro degvielu priekšrocības. Piemēram, degvielas elementā skudrskābe var darbināt dzinēju, vienlaikus atbrīvojot ūdeni un oglekļa dioksīdu. Tomēr, ja skudrskābe tiek ražota, reducējot atmosfēras CO2 līdz HCOOH, tad vienīgā neto produkcija ir ūdens.
Pieaugošais oglekļa dioksīda līmenis mūsu atmosfērā un tā ietekme uz globālo sasilšanu tagad ir plaši izplatīta ziņa. Pētniekiem eksperimentējot ar dažādām problēmas pieejām, radās efektīvs risinājums — pārvērst atmosfērā esošo oglekļa dioksīda pārpalikumu enerģiju bagātās ķīmiskās vielās.
Degvielas, piemēram, skudrskābes (HCOOH), ražošana, fotoreducējot CO2 saules gaismā, pēdējā laikā ir piesaistījusi lielu uzmanību, jo šim procesam ir divkāršs ieguvums: tas samazina pārmērīgas CO2 emisijas un arī palīdz samazināt enerģijas trūkumu, ar kuru mēs pašlaik saskaramies. Kā lielisks ūdeņraža nesējs ar augstu enerģijas blīvumu, HCOOH var nodrošināt enerģiju sadegšanas ceļā, vienlaikus atbrīvojot tikai ūdeni kā blakusproduktu.
Lai šo ienesīgo risinājumu īstenotu, zinātnieki ir izstrādājuši fotokatalītiskas sistēmas, kas ar saules gaismas palīdzību samazina oglekļa dioksīda daudzumu. Šī sistēma sastāv no gaismu absorbējoša substrāta (t. i., fotosensibilizatora) un katalizatora, kas nodrošina daudzkārtēju elektronu pārnesi, kas nepieciešama CO2 reducēšanai līdz HCOOH. Un tā viņi sāka meklēt piemērotus un efektīvus katalizatorus!
Oglekļa dioksīda fotokatalītiskā reducēšana, izmantojot bieži lietotas saliktas infografikas. Attēla autors: profesore Kazuhiko Maeda
Pateicoties to efektivitātei un potenciālajai pārstrādei, cietie katalizatori tiek uzskatīti par labākajiem kandidātiem šim uzdevumam, un gadu gaitā ir izpētītas daudzu kobalta, mangāna, niķeļa un dzelzs bāzes metālorganisko karkasu (MOF) katalītiskās spējas, starp kurām pēdējam ir dažas priekšrocības salīdzinājumā ar citiem metāliem. Tomēr lielākā daļa līdz šim ziņoto dzelzs bāzes katalizatoru kā galveno produktu ražo tikai oglekļa monoksīdu, nevis HCOOH.
Tomēr šo problēmu ātri atrisināja Tokijas Tehnoloģiju institūta (Tokyo Tech) pētnieku komanda profesora Kazuhiko Maedas vadībā. Nesenā pētījumā, kas publicēts ķīmijas žurnālā Angewandte Chemie, komanda demonstrēja uz alumīnija oksīda (Al2O3) balstītu dzelzs katalizatoru, izmantojot α-dzelzs(III) oksihidroksīdu (α-FeO2OH; ģeotītu). Jaunajam α-FeO2OH/Al2O3 katalizatoram ir lieliska CO2 konversijas uz HCOOH veiktspēja un lieliska pārstrādājamība. Jautāts par katalizatora izvēli, profesors Maeda sacīja: "Mēs vēlamies izpētīt bagātīgākus elementus kā katalizatorus CO2 fotoredukcijas sistēmās. Mums ir nepieciešams ciets katalizators, kas ir aktīvs, pārstrādājams, netoksisks un lēts. Tāpēc mūsu eksperimentiem mēs izvēlējāmies plaši izplatītus augsnes minerālus, piemēram, goetītu."
Komanda izmantoja vienkāršu impregnēšanas metodi, lai sintezētu savu katalizatoru. Pēc tam viņi izmantoja uz dzelzs balstītus Al2O3 materiālus, lai fotokatalītiski reducētu CO2 istabas temperatūrā rutēnija bāzes (Ru) fotosensibilizatora, elektronu donora un redzamās gaismas ar viļņu garumu virs 400 nanometriem klātbūtnē.
Rezultāti ir ļoti iepriecinoši. Viņu sistēmas selektivitāte galvenajam produktam HCOOH bija 80–90% ar kvantu ražu 4,3% (norādot sistēmas efektivitāti).
Šajā pētījumā tiek prezentēts pirmais šāda veida cietais katalizators uz dzelzs bāzes, kas kopā ar efektīvu fotosensibilizatoru var ģenerēt HCOOH. Tajā ir arī apspriesta atbilstoša nesēja (Al2O3) nozīme un tā ietekme uz fotoķīmisko reducēšanas reakciju.
Šī pētījuma atziņas varētu palīdzēt izstrādāt jaunus katalizatorus bez cēlmetāliem oglekļa dioksīda fotoreducēšanai par citām noderīgām ķīmiskām vielām. “Mūsu pētījums liecina, ka ceļš uz zaļās enerģijas ekonomiku nav sarežģīts. Pat vienkāršas katalizatoru sagatavošanas metodes var dot lieliskus rezultātus, un ir labi zināms, ka uz zemes bagātīgi sastopamie savienojumi, ja tos atbalsta tādi savienojumi kā alumīnija oksīds, var tikt izmantoti kā selektīvs katalizators CO2 samazināšanai,” secina profesors Maeda.
Atsauces: Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamkifu Y. Shunsuke Nozawa, prof. Kazuhiko Maeda, 2022. gada 12. maijs, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
"Tieši šeit šķidrajām degvielām, piemēram, benzīnam, ir liela priekšrocība. To augstais enerģijas blīvums nozīmē lielus nobraucamos attālumus un ātru degvielas uzpildīšanu."
Kā būtu ar dažiem skaitļiem? Kā skudrskābes enerģijas blīvums salīdzināms ar benzīnu? Tā kā ķīmiskajā formulā ir tikai viens oglekļa atoms, es šaubos, vai tas pat pietuvotos benzīnam.
Turklāt smarža ir ļoti toksiska un kā skābe tā ir kodīgāka nekā benzīns. Tās nav neatrisināmas inženiertehniskās problēmas, taču, ja vien skudrskābe nepiedāvā ievērojamas priekšrocības nobraukuma palielināšanā un akumulatora uzlādes laika samazināšanā, tas, iespējams, nav pūļu vērts.
Ja viņi plānotu iegūt goetītu no augsnes, tā būtu energoietilpīga ieguves darbība un potenciāli kaitīga videi.
Viņi varētu pieminēt daudz goetīta augsnē, jo es pieņemu, ka nepieciešamo izejvielu iegūšanai un to reakcijai, lai sintezētu goetītu, būtu nepieciešams vairāk enerģijas.
Ir jāaplūko viss procesa dzīves cikls un jāaprēķina visa enerģijas izmaksas. NASA neatrada tādu lietu kā bezmaksas palaišana. Citiem tas jāpatur prātā.
SciTechDaily: Labāko tehnoloģiju ziņu mājaslapa kopš 1998. gada. Esiet lietas kursā par jaunākajām tehnoloģiju ziņām, izmantojot e-pastu vai sociālos medijus.
Jau tikai doma par dūmakainajām un apreibinošajām bārbekjū garšām liek lielākajai daļai cilvēku siekalām tecēt. Klāt ir vasara, un daudziem…