Ένα ευρέως διαδεδομένο ορυκτό εδάφους, το α-οξυϋδροξείδιο του σιδήρου-(III), βρέθηκε να είναι ένας ανακυκλώσιμος καταλύτης για τη φωτοαναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα σε μυρμηκικό οξύ. Πίστωση: Καθηγήτρια Kazuhiko Maeda
Η φωτοαναγωγή του CO2 σε μεταφερόμενα καύσιμα όπως το μυρμηκικό οξύ (HCOOH) είναι ένας καλός τρόπος για την καταπολέμηση των αυξανόμενων επιπέδων CO2 στην ατμόσφαιρα. Για να βοηθήσει σε αυτό το έργο, μια ερευνητική ομάδα στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο του Τόκιο επέλεξε ένα εύκολα διαθέσιμο ορυκτό με βάση τον σίδηρο και το φόρτωσε σε ένα υπόστρωμα αλουμίνας για να αναπτύξει έναν καταλύτη που μπορεί να μετατρέψει αποτελεσματικά το CO2 σε HCOOH, με επιλεκτικότητα περίπου 90%!
Τα ηλεκτρικά οχήματα αποτελούν μια ελκυστική επιλογή για πολλούς ανθρώπους και ένας βασικός λόγος είναι ότι δεν έχουν εκπομπές άνθρακα. Ένα μεγάλο μειονέκτημα για πολλούς, ωστόσο, είναι η έλλειψη αυτονομίας και οι μεγάλοι χρόνοι φόρτισης. Εδώ ακριβώς είναι που τα υγρά καύσιμα όπως η βενζίνη έχουν μεγάλο πλεονέκτημα. Η υψηλή ενεργειακή τους πυκνότητα σημαίνει μεγάλες αυτονομίες και γρήγορο ανεφοδιασμό.
Η μετάβαση από βενζίνη ή ντίζελ σε διαφορετικό υγρό καύσιμο μπορεί να εξαλείψει τις εκπομπές άνθρακα διατηρώντας παράλληλα τα πλεονεκτήματα των υγρών καυσίμων. Σε μια κυψέλη καυσίμου, για παράδειγμα, το μυρμηκικό οξύ μπορεί να τροφοδοτήσει έναν κινητήρα απελευθερώνοντας νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Ωστόσο, εάν το μυρμηκικό οξύ παράγεται με την αναγωγή του ατμοσφαιρικού CO2 σε HCOOH, τότε η μόνη καθαρή παραγωγή είναι το νερό.
Η αύξηση των επιπέδων διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρά μας και η συμβολή τους στην υπερθέρμανση του πλανήτη αποτελούν πλέον κοινή είδηση. Καθώς οι ερευνητές πειραματίστηκαν με διαφορετικές προσεγγίσεις στο πρόβλημα, προέκυψε μια αποτελεσματική λύση - η μετατροπή της περίσσειας διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα σε χημικές ουσίες πλούσιες σε ενέργεια.
Η παραγωγή καυσίμων όπως το μυρμηκικό οξύ (HCOOH) μέσω της φωτοαναγωγής του CO2 στο ηλιακό φως έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή πρόσφατα, επειδή η διαδικασία έχει διπλό όφελος: μειώνει τις υπερβολικές εκπομπές CO2 και βοηθά επίσης στην ελαχιστοποίηση της ενεργειακής έλλειψης που αντιμετωπίζουμε σήμερα. Ως εξαιρετικός φορέας υδρογόνου με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, το HCOOH μπορεί να παρέχει ενέργεια μέσω καύσης, απελευθερώνοντας μόνο νερό ως υποπροϊόν.
Για να γίνει αυτή η επικερδής λύση πραγματικότητα, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει φωτοκαταλυτικά συστήματα που μειώνουν το διοξείδιο του άνθρακα με τη βοήθεια του ηλιακού φωτός. Αυτό το σύστημα αποτελείται από ένα υπόστρωμα απορρόφησης φωτός (δηλαδή, έναν φωτοευαισθητοποιητή) και έναν καταλύτη που επιτρέπει την πολλαπλή μεταφορά ηλεκτρονίων που απαιτείται για την αναγωγή του CO2 σε HCOOH. Και έτσι άρχισε η αναζήτηση κατάλληλων και αποτελεσματικών καταλυτών!
Φωτοκαταλυτική αναγωγή διοξειδίου του άνθρακα χρησιμοποιώντας κοινά χρησιμοποιούμενα infographics σύνθετων ενώσεων. Πίστωση: Καθηγήτρια Kazuhiko Maeda
Λόγω της αποτελεσματικότητάς τους και της πιθανής ανακυκλωσιμότητάς τους, οι στερεοί καταλύτες θεωρούνται οι καλύτεροι υποψήφιοι για αυτό το έργο και, με την πάροδο των ετών, έχουν διερευνηθεί οι καταλυτικές ικανότητες πολλών μεταλλο-οργανικών πλαισίων (MOF) με βάση το κοβάλτιο, το μαγγάνιο, το νικέλιο και τον σίδηρο, μεταξύ των οποίων το τελευταίο έχει ορισμένα πλεονεκτήματα έναντι άλλων μετάλλων. Ωστόσο, οι περισσότεροι καταλύτες με βάση τον σίδηρο που έχουν αναφερθεί μέχρι στιγμής παράγουν μόνο μονοξείδιο του άνθρακα ως κύριο προϊόν, όχι HCOOH.
Ωστόσο, αυτό το πρόβλημα λύθηκε γρήγορα από μια ομάδα ερευνητών στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο (Tokyo Tech) με επικεφαλής τον καθηγητή Kazuhiko Maeda. Σε μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο χημικό περιοδικό Angewandte Chemie, η ομάδα επέδειξε έναν καταλύτη με βάση τον σίδηρο, υποστηριζόμενο από αλουμίνα (Al2O3), χρησιμοποιώντας οξυϋδροξείδιο του α-σιδήρου(III) (α-FeO​​​OH· γεωθίτη). Ο νέος καταλύτης α-FeO​​​OH/Al2O3 παρουσιάζει εξαιρετική απόδοση μετατροπής CO2 σε HCOOH και εξαιρετική ανακυκλωσιμότητα. Όταν ρωτήθηκε για την επιλογή του καταλύτη, ο καθηγητής Maeda είπε: «Θέλουμε να διερευνήσουμε πιο άφθονα στοιχεία ως καταλύτες σε συστήματα φωτοαναγωγής CO2. Χρειαζόμαστε έναν στερεό καταλύτη που να είναι ενεργός, ανακυκλώσιμος, μη τοξικός και φθηνός. Γι' αυτό επιλέξαμε ευρέως διαδεδομένα ορυκτά εδάφους, όπως ο γκαιτίτης, για τα πειράματά μας».
Η ομάδα χρησιμοποίησε μια απλή μέθοδο εμποτισμού για να συνθέσει τον καταλύτη της. Στη συνέχεια, χρησιμοποίησε υλικά Al2O3 με σίδηρο για να μειώσει φωτοκαταλυτικά το CO2 σε θερμοκρασία δωματίου παρουσία ενός φωτοευαισθητοποιητή με βάση το ρουθήνιο (Ru), δότη ηλεκτρονίων και ορατού φωτός με μήκη κύματος άνω των 400 νανόμετρα.
Τα αποτελέσματα είναι πολύ ενθαρρυντικά. Η επιλεκτικότητα του συστήματός τους για το κύριο προϊόν HCOOH ήταν 80-90% με κβαντική απόδοση 4,3% (υποδεικνύοντας την απόδοση του συστήματος).
Αυτή η μελέτη παρουσιάζει έναν πρώτο στο είδος του στερεό καταλύτη με βάση τον σίδηρο που μπορεί να παράγει HCOOH όταν συνδυάζεται με έναν αποτελεσματικό φωτοευαισθητοποιητή. Συζητά επίσης τη σημασία του κατάλληλου υλικού υποστήριξης (Al2O3) και την επίδρασή του στην αντίδραση φωτοχημικής αναγωγής.
Τα ευρήματα αυτής της έρευνας μπορούν να βοηθήσουν στην ανάπτυξη νέων καταλυτών χωρίς ευγενή μέταλλα για τη φωτοαναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα σε άλλες χρήσιμες χημικές ουσίες. «Η έρευνά μας δείχνει ότι η πορεία προς μια πράσινη ενεργειακή οικονομία δεν είναι περίπλοκη. Ακόμη και απλές μέθοδοι παρασκευής καταλυτών μπορούν να αποφέρουν εξαιρετικά αποτελέσματα και είναι γνωστό ότι οι ενώσεις που αφθονούν στη γη, εάν υποστηρίζονται από ενώσεις όπως η αλουμίνα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως επιλεκτικός καταλύτης για τη μείωση του CO2», καταλήγει ο καθηγητής Maeda.
Παραπομπές: «Οξυϋδροξείδιο άλφα-σιδήρου (ΙΙΙ) που υποστηρίζεται από αλουμίνα ως ανακυκλώσιμος στερεός καταλύτης για φωτοαναγωγή CO2 υπό ορατό φως» από τους Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof. Καθ. Kazuhiko Maeda, 12 Μαΐου 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
«Εκεί ακριβώς τα υγρά καύσιμα όπως η βενζίνη έχουν ένα μεγάλο πλεονέκτημα. Η υψηλή ενεργειακή τους πυκνότητα σημαίνει μεγάλες αποστάσεις και γρήγορο ανεφοδιασμό.»
Τι θα λέγατε για μερικούς αριθμούς; Πώς συγκρίνεται η ενεργειακή πυκνότητα του μυρμηκικού οξέος με τη βενζίνη; Με μόνο ένα άτομο άνθρακα στον χημικό τύπο, αμφιβάλλω αν θα πλησίαζε καν τη βενζίνη.
Επιπλέον, η μυρωδιά είναι πολύ τοξική και, ως οξύ, είναι πιο διαβρωτική από τη βενζίνη. Αυτά δεν είναι άλυτα μηχανικά προβλήματα, αλλά εκτός αν το μυρμηκικό οξύ προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα στην αύξηση της αυτονομίας και στη μείωση του χρόνου ανεφοδιασμού της μπαταρίας, πιθανότατα δεν αξίζει τον κόπο.
Αν σχεδίαζαν να εξάγουν γαιτίτη από το έδαφος, θα ήταν μια ενεργοβόρα εξορυκτική επιχείρηση και ενδεχομένως επιβλαβής για το περιβάλλον.
Μπορεί να αναφέρουν την ύπαρξη πολύ γαιτίτη στο έδαφος, καθώς υποψιάζομαι ότι θα απαιτηθεί περισσότερη ενέργεια για να ληφθούν οι απαραίτητες πρώτες ύλες και να αντιδράσουν για τη σύνθεση γαιτίτη.
Είναι απαραίτητο να εξετάσουμε ολόκληρο τον κύκλο ζωής της διαδικασίας και να υπολογίσουμε το ενεργειακό κόστος όλων των στοιχείων. Η NASA δεν βρήκε κάτι τέτοιο όπως ελεύθερη εκτόξευση. Άλλοι πρέπει να το έχουν αυτό υπόψη τους.
SciTechDaily: Το σπίτι των καλύτερων τεχνολογικών ειδήσεων από το 1998. Μείνετε ενημερωμένοι με τα τελευταία τεχνολογικά νέα μέσω email ή μέσων κοινωνικής δικτύωσης.
Μόνο η σκέψη των καπνιστών και μεθυστικών γεύσεων του μπάρμπεκιου είναι αρκετή για να κάνει τους περισσότερους ανθρώπους να αδημονούν για περισσότερο. Το καλοκαίρι είναι εδώ και για πολλούς...