Широко разпространеният почвен минерал, α-железен-(III) оксихидроксид, се оказва рециклируем катализатор за фоторедукция на въглероден диоксид до мравчена киселина. Снимка: Проф. Казухико Маеда
Фоторедукция на CO2 до преносими горива като мравчена киселина (HCOOH) е добър начин за борба с повишаващите се нива на CO2 в атмосферата. За да помогне с тази задача, изследователски екип от Токийския технологичен институт избра леснодостъпен минерал на желязна основа и го зареди върху алуминиев носител, за да разработи катализатор, който може ефективно да преобразува CO2 в HCOOH, с около 90% селективност!
Електрическите превозни средства са привлекателен вариант за много хора и ключова причина е, че нямат въглеродни емисии. Голям недостатък за мнозина обаче е липсата на пробег и дългото време за зареждане. Тук течните горива като бензина имат голямо предимство. Високата им енергийна плътност означава дълги пробеги и бързо зареждане с гориво.
Преминаването от бензин или дизел към различно течно гориво може да елиминира въглеродните емисии, като същевременно запазва предимствата на течните горива. В горивна клетка например мравчената киселина може да захранва двигател, като същевременно освобождава вода и въглероден диоксид. Ако обаче мравчената киселина се произвежда чрез редуциране на атмосферния CO2 до HCOOH, тогава единственият нетен продукт е вода.
Покачващите се нива на въглероден диоксид в нашата атмосфера и техният принос за глобалното затопляне вече са обща новина. Докато изследователите експериментираха с различни подходи към проблема, се появи ефективно решение - превръщането на излишния въглероден диоксид в атмосферата в богати на енергия химикали.
Производството на горива като мравчена киселина (HCOOH) чрез фоторедукция на CO2 на слънчева светлина привлече много внимание напоследък, защото процесът има двойна полза: намалява излишните емисии на CO2 и също така помага за минимизиране на енергийния недостиг, с който се сблъскваме в момента. Като отличен носител на водород с висока енергийна плътност, HCOOH може да осигури енергия чрез горене, като същевременно отделя само вода като страничен продукт.
За да превърнат това доходоносно решение в реалност, учените са разработили фотокаталитични системи, които намаляват въглеродния диоксид с помощта на слънчева светлина. Тази система се състои от светлопоглъщащ субстрат (т.е. фотосенсибилизатор) и катализатор, който позволява многократния електронен трансфер, необходим за редукцията на CO2 до HCOOH. И така започна търсенето на подходящи и ефикасни катализатори!
Фотокаталитично намаляване на въглеродния диоксид с помощта на често използвани съставни инфографики. Снимка: Професор Казухико Маеда
Поради тяхната ефективност и потенциална рециклируемост, твърдите катализатори се считат за най-добрите кандидати за тази задача и през годините са изследвани каталитичните възможности на много металоорганични структури (MOF) на основата на кобалт, манган, никел и желязо, сред които последната има някои предимства пред други метали. Въпреки това, повечето катализатори на основата на желязо, докладвани досега, произвеждат само въглероден оксид като основен продукт, а не HCOOH.
Този проблем обаче беше бързо решен от екип от изследователи в Токийския технологичен институт (Tokyo Tech), ръководен от професор Казухико Маеда. В скорошно проучване, публикувано в химическото списание Angewandte Chemie, екипът демонстрира катализатор на желязна основа, носител от алуминиев оксид (Al2O3), използващ α-железен(III) оксихидроксид (α-FeO​​​OH; геотит). Новият катализатор α-FeO​​​OH/Al2O3 показва отлични показатели за преобразуване на CO2 в HCOOH и отлична рециклируемост. На въпроса за избора на катализатор, професор Маеда каза: „Искаме да изследваме по-разпространени елементи като катализатори в системите за фоторедукция на CO2. Нуждаем се от твърд катализатор, който е активен, рециклируем, нетоксичен и евтин. Ето защо избрахме широко разпространени почвени минерали като гьотит за нашите експерименти.“
Екипът използва прост метод за импрегниране, за да синтезира своя катализатор. След това те използваха Al₂O₃ материали с желязна подложка, за да фотокаталитично редуцират CO₂ при стайна температура в присъствието на фотосенсибилизатор на базата на рутений (Ru), донор на електрони и видима светлина с дължини на вълните над 400 нанометра.
Резултатите са много обнадеждаващи. Селективността на тяхната система за основния продукт HCOOH е била 80–90% с квантов добив от 4,3% (което показва ефективността на системата).
Това изследване представя първи по рода си твърд катализатор на желязна основа, който може да генерира HCOOH, когато е комбиниран с ефикасен фотосенсибилизатор. В него се обсъжда и значението на подходящия поддържащ материал (Al2O3) и неговият ефект върху фотохимичната редукционна реакция.
Резултатите от това изследване могат да помогнат за разработването на нови катализатори без благородни метали за фоторедукция на въглероден диоксид до други полезни химикали. „Нашето изследване показва, че пътят към зелена енергийна икономика не е сложен. Дори прости методи за приготвяне на катализатори могат да дадат отлични резултати и е добре известно, че изобилстващите на Земята съединения, ако са подкрепени от съединения като алуминиев оксид, могат да се използват като селективен катализатор за намаляване на CO2“, заключава проф. Маеда.
Референции: „Поддържан от алуминиев оксид алфа-желязо (III) оксихидроксид като рециклируем твърд катализатор за фоторедукция на CO2 при видима светлина“ от Daehyeon An, д-р Shunta Nishioka, д-р Shuhei Yasuda, д-р Tomoki Kanazawa, д-р Yoshinobu Kamakura, проф. Toshiyuki Yokoi, проф. Shunsuke Nozawa, проф. Kazuhiko Maeda, 12 май 2022 г., Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
„Тук течните горива като бензина имат голямо предимство. Високата им енергийна плътност означава дълги разстояния и бързо зареждане с гориво.“
Ами някои числа? Как се сравнява енергийната плътност на мравчената киселина с бензина? Само с един въглероден атом в химическата формула, съмнявам се, че дори би се доближила до бензина.
В допълнение към това, миризмата е много токсична и като киселина е по-корозивна от бензина. Това не са нерешими инженерни проблеми, но освен ако мравчената киселина не предлага значителни предимства за увеличаване на пробега и намаляване на времето за зареждане на батерията, вероятно не си струва усилието.
Ако планираха да добиват гьотит от почвата, това би било енергоемка минна операция и потенциално вредна за околната среда.
Може би ще споменат много гьотит в почвата, тъй като подозирам, че би било необходимо повече енергия, за да се получат необходимите суровини и да се реагира с тях, за да се синтезира гьотит.
Необходимо е да се разгледа целият жизнен цикъл на процеса и да се изчисли енергийната цена на всичко. НАСА не откри такова нещо като свободно изстрелване. Другите трябва да имат това предвид.
SciTechDaily: Дом на най-добрите технологични новини от 1998 г. Бъдете в крак с най-новите технологични новини чрез имейл или социални медии.
Само мисълта за опушените и опияняващи вкусове на барбекюто е достатъчна, за да накара повечето хора да се облизват. Лятото е тук и за мнозина...