Een goedkope katalysator gemaakt van suiker heeft het vermogen om kooldioxide te vernietigen

De nieuwe katalysator kan een mogelijke oplossing bieden voor het gebruik van afgevangen koolstof.

Een nieuwe katalysator gemaakt van een goedkoop en overvloedig metaal, gewone tafelsuiker, heeft het vermogen om kooldioxide (CO2) te vernietigen.₂) Gas.

In een nieuwe studie uitgevoerd door de Northwestern University heeft de katalysator met succes koolstofdioxide omgezet₂ tot koolmonoxide (CO), een belangrijke bouwsteen voor de productie van een verscheidenheid aan nuttige chemicaliën. Wanneer de reactie plaatsvindt in aanwezigheid van waterstof, bijvoorbeeld CO₂ Waterstof wordt omgezet in synthetisch gas (of syngas), een waardevol materiaal voor de productie van brandstof die benzine kan vervangen.

Met de recente vooruitgang op het gebied van koolstofafvangtechnologieën is koolstofafvang na verbranding een redelijke optie geworden om de mondiale klimaatveranderingscrisis te helpen aanpakken. Maar hoe om te gaan met afgevangen koolstof blijft een open vraag. De nieuwe katalysator biedt mogelijk een oplossing voor het elimineren van het krachtige broeikasgas door het om te zetten in een waardevoller product.

Het onderzoek zal worden gepubliceerd in het nummer van 3 mei van het tijdschrift Wetenschappen.

“Zelfs als we stoppen met het uitstoten van koolstofdioxide₂ Nu zal onze atmosfeer nog steeds een teveel aan koolstofdioxide bevatten₂ “Het is het resultaat van industriële activiteiten uit de afgelopen eeuwen”, zegt Milad Khoshoui van de Northwestern University, die het onderzoek mede leidde. “Er bestaat niet één oplossing voor dit probleem. We moeten de CO2-uitstoot terugdringen₂ uitstoot En Vind nieuwe manieren om koolstofdioxide te verminderen₂ Concentratie die al aanwezig is in de atmosfeer. We moeten profiteren van alle mogelijke oplossingen.”

Dit diagram toont het volledige proces van het maken van een katalysator en het gebruik ervan om koolstofdioxide om te zetten. Fotografie: Milad Khoshoui

“Wij zijn niet de eerste onderzoeksgroep die kooldioxide omzet₂ “Op naar een andere producer”, zei Omar K.. Farha van Northwestern University, hoofdauteur van het onderzoek. “Om het proces echt praktisch te laten zijn, is er echter een katalysator nodig die aan verschillende kritische criteria voldoet: betaalbaarheid, stabiliteit, productiegemak en schaalbaarheid. Gelukkig blinkt ons materiaal uit in het voldoen aan deze vereisten.

Farha, een expert op het gebied van koolstofafvangtechnologieën, is Charles E. en Emma H. ​​Morrison hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. Na het starten van dit werk met een Ph.D. Khoshwai is een kandidaat aan de Universiteit van Calgary in Canada, en is nu een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Farha.

Oplossingen uit de winkel

Het geheim achter de nieuwe katalysator is molybdeencarbide, een extreem hard keramisch materiaal. In tegenstelling tot veel andere katalysatoren waarvoor dure metalen nodig zijn, zoals platina of palladium, is molybdeen een goedkoop, niet-edelmetaal dat overvloedig aanwezig is in de aarde.

Om molybdeen om te zetten in molybdeencarbide hadden wetenschappers een koolstofbron nodig. Ze ontdekten op een onverwachte plek een goedkope optie: de voorraadkast. Verrassend genoeg diende suiker – de witte, korrelige soort die in bijna elk huishouden te vinden is – als een handige en goedkope bron van koolstofatomen.

“Elke dag dat ik deze materialen probeerde te vervaardigen, bracht ik suiker van mijn huis naar het laboratorium”, zei Khoshoui. “In vergelijking met andere materiaalklassen die vaak in katalysatoren worden gebruikt, zijn onze producten ongelooflijk goedkoop.”

Succesvolle en stabiele selectiviteit

Bij het testen van de katalysator waren Farha, Khoshoui en hun medewerkers onder de indruk van het succes ervan. Werkt bij omgevingsdruk en hoge temperaturen (300-600 graden). Celsius), de omgezette katalysator CO₂ naar kooldioxide met 100% selectiviteit.

Hoge selectiviteit betekent dat de katalysator alleen op kooldioxide werkt₂ Zonder de omliggende materialen te beschadigen. Met andere woorden: de industrie kan de katalysator toepassen op grote hoeveelheden opgevangen gassen en zich selectief alleen op kooldioxide richten.₂. De katalysator bleef ook in de loop van de tijd stabiel, wat betekent dat hij actief bleef en niet ontleedde.

“In de scheikunde is het niet ongebruikelijk dat een katalysator na een paar uur zijn selectiviteit verliest”, zegt Farha. “Maar na 500 uur onder zware omstandigheden veranderde de selectiviteit niet.”

Dit is vooral opmerkelijk omdat CO₂ Het is een stabiel en koppig molecuul.

“CO-conversie₂ “Het is niet gemakkelijk”, zei Khoshuai. “Ko₂ Het is een chemisch stabiel molecuul, en we moesten deze stabiliteit overwinnen, wat veel energie vereist.

De tandembenadering van koolstofreiniging

Het ontwikkelen van materialen die nodig zijn om koolstof af te vangen is de belangrijkste focus van Farha Lab. Zijn groep ontwikkelt metaal-organische raamwerken (Metalen organische raamwerken), een klasse van zeer poreuze materialen van nanoformaat die Farha vergelijkt met ‘verfijnde, programmeerbare badsponzen’. Farha onderzoekt MOF’s voor diverse toepassingen, waaronder het afvangen van kooldioxide₂ Rechtstreeks uit de lucht.

Nu zegt Farha dat het MOF en de nieuwe katalysator zouden kunnen samenwerken om een ​​rol te spelen bij het afvangen en vastleggen van koolstof.

“Op een gegeven moment zouden we MOF’s kunnen gebruiken om koolstofdioxide op te vangen, gevolgd door een katalysator om het om te zetten in iets nuttigers,” opperde Farha. “Een tandemsysteem dat twee verschillende materialen gebruikt voor twee opeenvolgende stappen zou de weg vooruit kunnen zijn.”

“Dit kan ons helpen de vraag te beantwoorden: wat doen we met afgevangen koolstofdioxide?₂‘Voegde Khushui toe. “Op dit moment is het plan om het ondergronds te isoleren, maar ondergrondse reservoirs moeten aan verschillende eisen voldoen om kooldioxide veilig en permanent op te slaan.”₂. We wilden een meer universele oplossing ontwerpen die overal kan worden gebruikt en tegelijkertijd economische waarde toevoegt.

Referentie: “Actieve en stabiele kubieke molybdeencarbide-katalysator voor omkeerbare transformatiereactie van water en gas op hoge temperatuur” door Milad Ahmadi Khoshui, Shijun Wang, Gerardo Vitale, Philip Formalek, Kent O. Kerlikovalli, Randall Q. Senor, Pedro Pereira-Almao en Omar K. Farha, 2 mei 2024, Wetenschappen.
doi: 10.1126/science.adl1260

Deze studie werd ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, de National Science Foundation en de Natural Sciences and Engineering Research Council van Canada.