Stwierdzono, że powszechnie występujący w glebie minerał, α-żelazo-(III) tlenowodorotlenek, jest katalizatorem nadającym się do recyklingu w procesie fotoredukcji dwutlenku węgla do kwasu mrówkowego. Źródło: Prof. Kazuhiko Maeda
Fotoredukcja CO2 do paliw transportowych, takich jak kwas mrówkowy (HCOOH), to dobry sposób na walkę ze wzrostem poziomu CO2 w atmosferze. Aby ułatwić to zadanie, zespół badawczy z Tokijskiego Instytutu Technologicznego wybrał łatwo dostępny minerał na bazie żelaza i umieścił go na nośniku z tlenku glinu, aby opracować katalizator, który może wydajnie przekształcać CO2 w HCOOH, z selektywnością wynoszącą około 90%!
Pojazdy elektryczne są atrakcyjną opcją dla wielu osób, głównie dlatego, że nie emitują dwutlenku węgla. Dużą wadą dla wielu osób jest jednak ich mały zasięg i długi czas ładowania. W tym miejscu paliwa płynne, takie jak benzyna, mają dużą przewagę. Ich wysoka gęstość energetyczna oznacza duży zasięg i szybkie tankowanie.
Przejście z benzyny lub oleju napędowego na inne paliwo ciekłe może wyeliminować emisję dwutlenku węgla, przy jednoczesnym zachowaniu zalet paliw ciekłych. Na przykład w ogniwie paliwowym kwas mrówkowy może zasilać silnik, jednocześnie uwalniając wodę i dwutlenek węgla. Jeśli jednak kwas mrówkowy jest wytwarzany przez redukcję atmosferycznego CO2 do HCOOH, to jedynym produktem końcowym jest woda.
Rosnący poziom dwutlenku węgla w atmosferze i jego wpływ na globalne ocieplenie to już powszechnie znane wiadomości. W miarę jak naukowcy eksperymentowali z różnymi podejściami do tego problemu, pojawiło się skuteczne rozwiązanie — przekształcanie nadmiaru dwutlenku węgla w atmosferze w bogate w energię związki chemiczne.
Produkcja paliw, takich jak kwas mrówkowy (HCOOH), poprzez fotoredukcję CO2 w świetle słonecznym, przyciągnęła ostatnio sporo uwagi, ponieważ proces ten ma podwójną korzyść: redukuje nadmiar emisji CO2, a także pomaga zminimalizować zapotrzebowanie na energię, z którym obecnie się zmagamy. Jako doskonały nośnik wodoru o dużej gęstości energetycznej, HCOOH może dostarczać energię poprzez spalanie, uwalniając jedynie wodę jako produkt uboczny.
Aby urzeczywistnić to lukratywne rozwiązanie, naukowcy opracowali systemy fotokatalityczne, które redukują dwutlenek węgla przy pomocy światła słonecznego. System ten składa się z absorbującego światło podłoża (czyli fotosensybilizatora) oraz katalizatora, który umożliwia wielokrotny transfer elektronów niezbędny do redukcji CO2 do HCOOH. Rozpoczęto więc poszukiwania odpowiednich i wydajnych katalizatorów!
Fotokatalityczna redukcja dwutlenku węgla z wykorzystaniem powszechnie stosowanych infografik dotyczących związków chemicznych. Źródło: Profesor Kazuhiko Maeda
Ze względu na swoją wydajność i potencjalną możliwość recyklingu, stałe katalizatory są uważane za najlepszych kandydatów do tego zadania. Na przestrzeni lat zbadano możliwości katalityczne wielu metaloorganicznych struktur szkieletowych (MOF) na bazie kobaltu, manganu, niklu i żelaza, z których ten ostatni ma pewne zalety w porównaniu z innymi metalami. Jednak większość dotychczas zgłoszonych katalizatorów na bazie żelaza produkuje jedynie tlenek węgla jako główny produkt, a nie HCOOH.
Jednak problem ten został szybko rozwiązany przez zespół badaczy z Instytutu Technologii w Tokio (Tokyo Tech) pod przewodnictwem profesora Kazuhiko Maedy. W niedawnym badaniu opublikowanym w czasopiśmie chemicznym Angewandte Chemie, zespół zademonstrował katalizator na bazie żelaza na nośniku z tlenku glinu (Al2O3) przy użyciu α-oksywodorotlenku żelaza(III) (α-FeO​​​OH; geotyt). Nowy katalizator α-FeO​​​OH/Al2O3 wykazuje doskonałą wydajność konwersji CO2 do HCOOH i doskonałą możliwość recyklingu. Zapytany o wybór katalizatora, profesor Maeda powiedział: „Chcemy zbadać bardziej powszechne pierwiastki jako katalizatory w układach fotoredukcji CO2. Potrzebujemy stałego katalizatora, który jest aktywny, nadaje się do recyklingu, jest nietoksyczny i niedrogi. Dlatego do naszych eksperymentów wybraliśmy szeroko rozpowszechnione minerały glebowe, takie jak goethyt”.
Zespół zastosował prostą metodę impregnacji do syntezy katalizatora. Następnie użyli materiałów Al2O3 osadzonych na żelazie, aby fotokatalitycznie redukować CO2 w temperaturze pokojowej w obecności fotosensybilizatora na bazie rutenu (Ru), dawcy elektronów i światła widzialnego o długości fali ponad 400 nanometrów.
Wyniki są bardzo zachęcające. Selektywność ich systemu w odniesieniu do głównego produktu HCOOH wyniosła 80–90% przy wydajności kwantowej na poziomie 4,3% (co wskazuje na wydajność systemu).
W niniejszym badaniu zaprezentowano pierwszy w swoim rodzaju stały katalizator na bazie żelaza, który może generować HCOOH w połączeniu z wydajnym fotosensybilizatorem. Omówiono w nim również znaczenie odpowiedniego materiału nośnego (Al2O3) i jego wpływ na reakcję redukcji fotochemicznej.
Wnioski z tych badań mogą pomóc w opracowaniu nowych, niezawierających metali szlachetnych katalizatorów do fotoredukcji dwutlenku węgla do innych użytecznych substancji chemicznych. „Nasze badania pokazują, że droga do zielonej gospodarki energetycznej nie jest skomplikowana. Nawet proste metody przygotowania katalizatorów mogą przynieść znakomite rezultaty, a powszechnie wiadomo, że związki występujące w przyrodzie, w połączeniu ze związkami takimi jak tlenek glinu, mogą być stosowane jako selektywne katalizatory redukcji CO2” – podsumowuje prof. Maeda.
Literatura: „Wodorotlenek alfa-żelaza (III) wspomagany tlenkiem glinu jako stały katalizator nadający się do recyklingu do fotoredukcji CO2 w świetle widzialnym” autorstwa Daehyeon An, dr Shunta Nishioka, dr Shuhei Yasuda, dr Tomoki Kanazawa, dr Yoshinobu Kamakura, prof. Toshiyuki Yokoi, prof. Shunsuke Nozawa, prof. Kazuhiko Maeda, 12 maja 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
„Właśnie tutaj paliwa płynne, takie jak benzyna, mają dużą przewagę. Ich wysoka gęstość energetyczna oznacza duży zasięg i szybkie tankowanie”.
A może jakieś liczby? Jak gęstość energetyczna kwasu mrówkowego wypada w porównaniu z gęstością benzyny? Biorąc pod uwagę tylko jeden atom węgla we wzorze chemicznym, wątpię, żeby w ogóle dorównywał benzynie.
Poza tym zapach jest bardzo toksyczny, a jako kwas jest bardziej żrący niż benzyna. Nie są to problemy inżynieryjne nie do rozwiązania, ale jeśli kwas mrówkowy nie oferuje znaczących korzyści w postaci zwiększenia zasięgu i skrócenia czasu uzupełniania akumulatora, to prawdopodobnie nie jest wart zachodu.
Gdyby planowano wydobycie goethytu z gleby, wiązałoby się to z dużym zużyciem energii i mogłoby zaszkodzić środowisku.
Mogliby wspomnieć o dużej ilości goethytu w glebie, gdyż podejrzewam, że potrzeba więcej energii, aby uzyskać niezbędne surowce i poddać je reakcji w celu syntezy goethytu.
Należy wziąć pod uwagę cały cykl życia procesu i obliczyć koszt energetyczny każdego elementu. NASA nie odkryła czegoś takiego jak swobodny start. Inni muszą o tym pamiętać.
SciTechDaily: Strona z najlepszymi wiadomościami ze świata technologii od 1998 r. Bądź na bieżąco z najnowszymi wiadomościami technologicznymi za pośrednictwem poczty e-mail lub mediów społecznościowych.
Już sama myśl o dymnym i odurzającym smaku grilla powoduje, że u większości osób cieknie ślinka. Nadeszło lato i dla wielu…