Et vidt distribuert jordmineral, α-jern-(III)oksyhydroksid, ble funnet å være en resirkulerbar katalysator for fotoreduksjon av karbondioksid til maursyre. Foto: Prof. Kazuhiko Maeda
Fotoreduksjon av CO2 til transporterbare drivstoff som maursyre (HCOOH) er en god måte å bekjempe stigende CO2-nivåer i atmosfæren. For å hjelpe med denne oppgaven valgte et forskerteam ved Tokyo Institute of Technology et lett tilgjengelig jernbasert mineral og lastet det på en alumina-bærer for å utvikle en katalysator som effektivt kan omdanne CO2 til HCOOH, med omtrent 90 % selektivitet!
Elbiler er et attraktivt alternativ for mange, og en viktig grunn er at de ikke har noen karbonutslipp. En stor ulempe for mange er imidlertid mangelen på rekkevidde og lange ladetider. Det er her flytende drivstoff som bensin har en stor fordel. Den høye energitettheten betyr lang rekkevidde og rask påfylling.
Å bytte fra bensin eller diesel til et annet flytende drivstoff kan eliminere karbonutslipp samtidig som fordelene med flytende drivstoff beholdes. I en brenselcelle kan for eksempel maursyre drive en motor samtidig som den frigjør vann og karbondioksid. Men hvis maursyre produseres ved å redusere atmosfærisk CO2 til HCOOH, er den eneste nettoproduksjonen vann.
Stigende karbondioksidnivåer i atmosfæren vår og deres bidrag til global oppvarming er nå vanlige nyheter. Etter hvert som forskere eksperimenterte med ulike tilnærminger til problemet, dukket det opp en effektiv løsning – å omdanne overflødig karbondioksid i atmosfæren til energirike kjemikalier.
Produksjon av drivstoff som maursyre (HCOOH) ved fotoreduksjon av CO2 i sollys har fått mye oppmerksomhet i det siste fordi prosessen har en dobbel fordel: den reduserer overskytende CO2-utslipp og bidrar også til å minimere energimangelen vi for tiden står overfor. Som en utmerket bærer for hydrogen med høy energitetthet kan HCOOH gi energi gjennom forbrenning, samtidig som den bare frigjør vann som et biprodukt.
For å gjøre denne lukrative løsningen til virkelighet, har forskere utviklet fotokatalytiske systemer som reduserer karbondioksid ved hjelp av sollys. Dette systemet består av et lysabsorberende substrat (dvs. en fotosensibilisator) og en katalysator som muliggjør den multippele elektronoverføringen som kreves for reduksjon av CO2 til HCOOH. Og dermed begynte man å lete etter passende og effektive katalysatorer!
Fotokatalytisk reduksjon av karbondioksid ved bruk av vanlige sammensatte infografikk. Foto: Professor Kazuhiko Maeda
På grunn av effektiviteten og potensielle resirkulerbarheten anses faste katalysatorer som de beste kandidatene for denne oppgaven, og gjennom årene har de katalytiske egenskapene til mange kobolt-, mangan-, nikkel- og jernbaserte metallorganiske rammeverk (MOF-er) blitt utforsket, blant annet har sistnevnte noen fordeler i forhold til andre metaller. Imidlertid produserer de fleste jernbaserte katalysatorer som er rapportert så langt bare karbonmonoksid som hovedprodukt, ikke HCOOH.
Dette problemet ble imidlertid raskt løst av et forskerteam ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) ledet av professor Kazuhiko Maeda. I en fersk studie publisert i det kjemiske tidsskriftet Angewandte Chemie, demonstrerte teamet en jernbasert katalysator basert på alumina (Al₂O₃) ved bruk av α-jern(III)oksyhydroksid (α-FeO₃OH; geotitt). Den nye α-FeO₃OH/Al₂O₃-katalysatoren viser utmerket CO₂ til HCOOH-konverteringsytelse og utmerket resirkulerbarhet. Da professor Maeda ble spurt om valget av katalysator, sa han: «Vi ønsker å utforske mer rikelig forekommende elementer som katalysatorer i CO₂-fotoreduksjonssystemer. Vi trenger en solid katalysator som er aktiv, resirkulerbar, giftfri og rimelig. Derfor valgte vi vidt distribuerte jordmineraler som goetitt til eksperimentene våre.»
Teamet benyttet en enkel impregneringsmetode for å syntetisere katalysatoren sin. Deretter brukte de jernstøttede Al₂O₃-materialer for å fotokatalytisk redusere CO₂ ved romtemperatur i nærvær av en ruteniumbasert (Ru) fotosensibilisator, elektrondonor og synlig lys med bølgelengder over 400 nanometer.
Resultatene er svært oppmuntrende. Selektiviteten til systemet deres for hovedproduktet HCOOH var 80–90 % med et kvanteutbytte på 4,3 % (noe som indikerer systemets effektivitet).
Denne studien presenterer en jernbasert fast katalysator av sitt slag som er den første i sitt slag og kan generere HCOOH når den kombineres med en effektiv fotosensibilisator. Den diskuterer også viktigheten av riktig støttemateriale (Al₂O₃) og dets effekt på den fotokjemiske reduksjonsreaksjonen.
Innsikt fra denne forskningen kan bidra til å utvikle nye edelmetallfrie katalysatorer for fotoreduksjon av karbondioksid til andre nyttige kjemikalier. «Forskningen vår viser at veien til en grønn energiøkonomi ikke er komplisert. Selv enkle katalysatorforberedelsesmetoder kan gi gode resultater, og det er velkjent at jordrike forbindelser, hvis de støttes av forbindelser som alumina, kan brukes som en selektiv katalysator for CO2-reduksjon», konkluderer professor Maeda.
Referanser: "Alumina-støttet alfajern (III) oksyhydroksid som en resirkulerbar fast katalysator for CO2-fotoreduksjon under synlig lys" av Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof. Shuko To,shiyuki Prof. Kazuhiko Maeda, 12. mai 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
«Det er der flytende drivstoff som bensin har en stor fordel. Den høye energitettheten betyr lang rekkevidde og rask påfylling.»
Hva med noen tall? Hvordan er energitettheten til maursyre sammenlignet med bensin? Med bare ett karbonatom i den kjemiske formelen tviler jeg på at den i det hele tatt ville komme i nærheten av bensin.
I tillegg til dette er lukten svært giftig, og som syre er den mer etsende enn bensin. Dette er ikke uløselige tekniske problemer, men med mindre maursyre gir betydelige fordeler ved å øke rekkevidden og redusere batterifyllingstiden, er det sannsynligvis ikke verdt innsatsen.
Hvis de planla å utvinne goetitt fra jorden, ville det være en energikrevende gruvedrift og potensielt skadelig for miljøet.
De nevner kanskje mye goetitt i jorden, siden jeg mistenker at det ville kreve mer energi å få de nødvendige råvarene og reagere med dem for å syntetisere goetitt.
Det er nødvendig å se på hele livssyklusen til prosessen og beregne energikostnadene for alt. NASA fant ikke noe slikt som en gratis oppskytning. Andre må huske på dette.
SciTechDaily: Hjemmet til de beste teknologinyhetene siden 1998. Hold deg oppdatert på de siste teknologinyhetene via e-post eller sosiale medier.
Bare tanken på de røykfylte og berusende smakene av BBQ er nok til å få folk flest til å sikle. Sommeren er her, og for mange ...