Було виявлено, що широко поширений ґрунтовий мінерал, оксигідроксид α-заліза-(III), є придатним для переробки каталізатором фотовідновлення вуглекислого газу до мурашиної кислоти. Фото: професор Казухіко Маеда
Фотовідновлення CO2 до транспортабельного палива, такого як мурашина кислота (HCOOH), є гарним способом боротьби зі зростанням рівня CO2 в атмосфері. Щоб допомогти з цим завданням, дослідницька група Токійського технологічного інституту вибрала легкодоступний мінерал на основі заліза та завантажила його на оксид алюмінію, щоб розробити каталізатор, який може ефективно перетворювати CO2 на HCOOH, з селективністю близько 90%!
Електромобілі є привабливим варіантом для багатьох людей, і ключовою причиною є відсутність викидів вуглецю. Однак великим недоліком для багатьох є їхній обмежений запас ходу та тривалий час заряджання. Саме тут рідке паливо, таке як бензин, має велику перевагу. Їхня висока щільність енергії означає великі запаси ходу та швидку заправку.
Перехід з бензину або дизельного палива на інше рідке паливо може усунути викиди вуглецю, зберігаючи при цьому переваги рідкого палива. Наприклад, у паливному елементі мурашина кислота може живити двигун, вивільняючи воду та вуглекислий газ. Однак, якщо мурашина кислота виробляється шляхом відновлення атмосферного CO2 до HCOOH, то єдиним чистим продуктом є вода.
Зростання рівня вуглекислого газу в нашій атмосфері та його внесок у глобальне потепління зараз є загальною новиною. Коли дослідники експериментували з різними підходами до проблеми, з'явилося ефективне рішення — перетворення надлишку вуглекислого газу в атмосфері на енергоємні хімічні речовини.
Виробництво такого палива, як мурашина кислота (HCOOH), шляхом фотовідновлення CO2 на сонячному світлі останнім часом привернуло значну увагу, оскільки цей процес має подвійну перевагу: він зменшує надлишкові викиди CO2, а також допомагає мінімізувати дефіцит енергії, з яким ми зараз стикаємося. Як чудовий носій водню з високою щільністю енергії, HCOOH може забезпечувати енергію шляхом згоряння, виділяючи при цьому лише воду як побічний продукт.
Щоб втілити це вигідне рішення в реальність, вчені розробили фотокаталітичні системи, які відновлюють вуглекислий газ за допомогою сонячного світла. Ця система складається зі світлопоглинаючої підкладки (тобто фотосенсибілізатора) та каталізатора, який забезпечує багаторазовий перенос електронів, необхідний для відновлення CO2 до HCOOH. І таким чином почали шукати відповідні та ефективні каталізатори!
Фотокаталітичне відновлення вуглекислого газу за допомогою поширеної інфографіки зі складними елементами. Фото: професор Казухіко Маеда
Завдяки своїй ефективності та потенційній перероблюваності, тверді каталізатори вважаються найкращими кандидатами для цього завдання, і протягом багатьох років були досліджені каталітичні можливості багатьох металоорганічних каркасів (MOF) на основі кобальту, марганцю, нікелю та заліза, серед яких останній має деякі переваги перед іншими металами. Однак більшість каталізаторів на основі заліза, про які повідомлялося досі, виробляють лише монооксид вуглецю як основний продукт, а не HCOOH.
Однак цю проблему швидко вирішила команда дослідників з Токійського технологічного інституту (Tokyo Tech) під керівництвом професора Казухіко Маеди. У нещодавньому дослідженні, опублікованому в хімічному журналі Angewandte Chemie, команда продемонструвала каталізатор на основі заліза на основі оксиду алюмінію (Al2O3) з використанням оксигідроксиду α-заліза(III) (α-FeO​​​OH; геотит). Новий каталізатор α-FeO​​​OH/Al2O3 демонструє чудову ефективність перетворення CO2 в HCOOH та чудову перероблюваність. На запитання про вибір каталізатора професор Маеда відповів: «Ми хочемо дослідити більш поширені елементи як каталізатори в системах фотовідновлення CO2. Нам потрібен твердий каталізатор, який є активним, придатним для переробки, нетоксичним і недорогим. Ось чому ми обрали для наших експериментів широко поширені ґрунтові мінерали, такі як гетит».
Команда застосувала простий метод просочення для синтезу свого каталізатора. Потім вони використали матеріали Al₂O₃ на основі заліза для фотокаталітичного відновлення CO₂ за кімнатної температури в присутності фотосенсибілізатора на основі рутенію (Ru), донора електронів та видимого світла з довжиною хвилі понад 400 нанометрів.
Результати дуже обнадійливі. Селективність їхньої системи для основного продукту HCOOH становила 80–90% з квантовим виходом 4,3% (що свідчить про ефективність системи).
У цьому дослідженні представлено перший у своєму роді твердий каталізатор на основі заліза, який може генерувати HCOOH у поєднанні з ефективним фотосенсибілізатором. Також обговорюється важливість належного носія (Al2O3) та його вплив на реакцію фотохімічного відновлення.
Результати цього дослідження можуть допомогти розробити нові каталізатори без благородних металів для фотовідновлення вуглекислого газу до інших корисних хімічних речовин. «Наше дослідження показує, що шлях до зеленої енергетичної економіки не є складним. Навіть прості методи приготування каталізаторів можуть дати чудові результати, і добре відомо, що поширені на Землі сполуки, якщо їх підтримувати такими сполуками, як оксид алюмінію, можна використовувати як селективний каталізатор для відновлення CO2», – підсумовує професор Маеда.
Посилання: «Оксигідроксид альфа-заліза (III) на основі оксиду алюмінію як придатний для переробки твердий каталізатор для фотовідновлення CO2 у видимому світлі» Дехьон Ан, д-р Шунта Нішіока, д-р Шухей Ясуда, д-р Томокі Канадзава, д-р Йосінобу Камакура, проф.. Тошіюкі Йокой, проф. Шунсуке Нодзава, професор Казухіко Маеда, 12 травня 2022 р., Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
«Саме тут рідке паливо, таке як бензин, має велику перевагу. Його висока щільність енергії означає великий запас ходу та швидку заправку».
Як щодо деяких цифр? Як щільність енергії мурашиної кислоти порівнюється з бензином? Маючи лише один атом вуглецю в хімічній формулі, я сумніваюся, що вона взагалі наблизиться до бензину.
Крім того, запах дуже токсичний, і, як кислота, він більш корозійний, ніж бензин. Це не нерозв'язні інженерні проблеми, але якщо мурашина кислота не пропонує значних переваг у збільшенні запасу ходу та скороченні часу заряджання акумулятора, вона, ймовірно, не варта зусиль.
Якби вони планували видобувати гетит з ґрунту, це була б енергоємна гірничодобувна операція, яка потенційно могла б завдати шкоди навколишньому середовищу.
Вони можуть згадати про велику кількість гетиту в ґрунті, оскільки я підозрюю, що для отримання необхідної сировини та її реакції з метою синтезу гетиту знадобиться більше енергії.
Необхідно розглянути весь життєвий цикл процесу та розрахувати енергетичні витрати на все. NASA не виявило такого поняття, як вільний запуск. Іншим потрібно пам’ятати про це.
SciTechDaily: Дім найкращих технологічних новин з 1998 року. Будьте в курсі останніх технологічних новин електронною поштою або в соціальних мережах.
Тільки думка про димний та п'янкий смак барбекю викликає у більшості людей слинки. Настало літо, і для багатьох…