Шырока распаўсюджаны глебавы мінерал, α-жалеза-(III) аксігідраксід, аказаўся прыдатным для перапрацоўкі каталізатарам фотааднаўлення вуглякіслага газу да мурашынай кіслаты. Фота: праф. Казухіка Маэда
Фотааднаўленне CO2 да транспартабельных відаў паліва, такіх як мурашыная кіслата (HCOOH), — добры спосаб барацьбы з павышэннем узроўню CO2 у атмасферы. Каб дапамагчы ў вырашэнні гэтай задачы, даследчая група з Токійскага тэхналагічнага інстытута абрала лёгкадаступны мінерал на аснове жалеза і нанесла яго на алюмініевы носьбіт, каб распрацаваць каталізатар, які можа эфектыўна пераўтвараць CO2 у HCOOH з селектыўнасцю каля 90%!
Электрамабілі з'яўляюцца прывабным варыянтам для многіх людзей, і ключавая прычына гэтага заключаецца ў тым, што яны не выкідваюць вуглярод. Аднак вялікім недахопам для многіх з'яўляецца іх невялікі запас ходу і доўгі час зарадкі. Менавіта тут вадкае паліва, такое як бензін, мае вялікую перавагу. Іх высокая шчыльнасць энергіі азначае вялікі запас ходу і хуткую запраўку.
Пераход з бензіну або дызельнага паліва на іншае вадкае паліва можа ліквідаваць выкіды вугляроду, захоўваючы пры гэтым перавагі вадкага паліва. Напрыклад, у паліўным элементе мурашыная кіслата можа прыводзіць у рух рухавік, вызваляючы ваду і вуглякіслы газ. Аднак, калі мурашыная кіслата атрымліваецца шляхам аднаўлення атмасфернага CO2 да HCOOH, то адзіным чыстым вынікам з'яўляецца вада.
Павышэнне ўзроўню вуглякіслага газу ў нашай атмасферы і яго ўклад у глабальнае пацяпленне цяпер з'яўляюцца агульнай навіной. Па меры таго, як даследчыкі эксперыментавалі з рознымі падыходамі да праблемы, з'явілася эфектыўнае рашэнне — пераўтварэнне лішку вуглякіслага газу ў атмасферы ў багатыя энергіяй хімічныя рэчывы.
Вытворчасць такіх відаў паліва, як мурашыная кіслата (HCOOH), шляхам фотааднаўлення CO2 пад уздзеяннем сонечнага святла нядаўна прыцягнула вялікую ўвагу, паколькі гэты працэс мае двайную перавагу: ён памяншае лішнія выкіды CO2, а таксама дапамагае мінімізаваць дэфіцыт энергіі, з якой мы сутыкаемся ў цяперашні час. Як выдатны носьбіт вадароду з высокай шчыльнасцю энергіі, HCOOH можа забяспечваць энергію шляхам згарання, вызваляючы пры гэтым толькі ваду ў якасці пабочнага прадукту.
Каб рэалізаваць гэтае прыбытковае рашэнне, навукоўцы распрацавалі фотакаталітычныя сістэмы, якія аднаўляюць вуглякіслы газ з дапамогай сонечнага святла. Гэтая сістэма складаецца з паглынальнага святло субстрата (г.зн. фотасенсібілізатара) і каталізатара, які забяспечвае шматразовы перанос электронаў, неабходны для аднаўлення CO2 да HCOOH. І такім чынам пачаліся пошукі прыдатных і эфектыўных каталізатараў!
Фотакаталітычнае аднаўленне вуглякіслага газу з выкарыстаннем распаўсюджанай інфаграфікі са складанымі элементамі. Крыніца: прафесар Казухіка Маэда
Дзякуючы сваёй эфектыўнасці і патэнцыйнай перапрацоўцы, цвёрдыя каталізатары лічацца найлепшымі кандыдатамі для гэтай задачы, і на працягу многіх гадоў былі вывучаны каталітычныя магчымасці многіх металаарганічных каркасаў (MOF) на аснове кобальту, марганцу, нікеля і жалеза, сярод якіх апошні мае некаторыя перавагі перад іншымі металамі. Аднак большасць каталізатараў на аснове жалеза, пра якія паведамлялася да гэтага часу, вырабляюць толькі аксід вугляроду ў якасці асноўнага прадукту, а не HCOOH.
Аднак гэтую праблему хутка вырашыла каманда даследчыкаў з Токійскага тэхналагічнага інстытута (Tokyo Tech) пад кіраўніцтвам прафесара Казухіка Маэды. У нядаўнім даследаванні, апублікаваным у хімічным часопісе Angewandte Chemie, каманда прадэманстравала каталізатар на аснове жалеза на аснове аксіду алюмінію (Al2O3) з выкарыстаннем аксігідраксіду α-жалеза(III) (α-FeO​​​OH; геатыт). Новы каталізатар α-FeO​​​OH/Al2O3 дэманструе выдатную прадукцыйнасць пераўтварэння CO2 у HCOOH і выдатную перапрацоўваемасць. На пытанне аб выбары каталізатара прафесар Маэда адказаў: «Мы хочам даследаваць больш распаўсюджаныя элементы ў якасці каталізатараў у сістэмах фотааднаўлення CO2. Нам патрэбен цвёрды каталізатар, які з'яўляецца актыўным, перапрацоўваемым, нетаксічным і недарагім. Вось чаму мы выбралі для нашых эксперыментаў шырока распаўсюджаныя глебавыя мінералы, такія як гетыт».
Каманда выкарыстала просты метад прапіткі для сінтэзу каталізатара. Затым яны выкарысталі матэрыялы Al₂O₃ на аснове жалеза для фотакаталітычнага аднаўлення CO₂ пры пакаёвай тэмпературы ў прысутнасці фотасенсібілізатара на аснове рутэнія (Ru), донара электронаў і бачнага святла з даўжынямі хваль больш за 400 нанаметраў.
Вынікі вельмі абнадзейлівыя. Селектыўнасць іх сістэмы па асноўным прадукце HCOOH складала 80–90% з квантавым выхадам 4,3% (што сведчыць аб эфектыўнасці сістэмы).
У гэтым даследаванні прадстаўлены першы ў сваім родзе цвёрды каталізатар на аснове жалеза, які можа генераваць HCOOH у спалучэнні з эфектыўным фотасенсібілізатарам. У ім таксама абмяркоўваецца важнасць адпаведнага матэрыялу-носьбіта (Al2O3) і яго ўплыў на рэакцыю фотахімічнага аднаўлення.
Вынікі гэтага даследавання могуць дапамагчы ў распрацоўцы новых каталізатараў без высакародных металаў для фотааднаўлення вуглякіслага газу да іншых карысных хімічных рэчываў. «Нашы даследаванні паказваюць, што шлях да зялёнай энергетычнай эканомікі нескладаны. Нават простыя метады падрыхтоўкі каталізатараў могуць даць выдатныя вынікі, і добра вядома, што распаўсюджаныя на Зямлі злучэнні, калі яны падтрымліваюцца такімі злучэннямі, як аксід алюмінію, могуць быць выкарыстаны ў якасці селектыўнага каталізатара для аднаўлення CO2», — падсумоўвае прафесар Маэда.
Спасылкі: «Аксігідраксід альфа-жалеза (III) на аснове аксіду алюмінію як цвёрды каталізатар для фотааднаўлення CO2 пры бачным святле, які можна перапрацоўваць» Тэхён Ан, доктар Шунта Нішыока, доктар Шухэй Ясуда, доктар Томокі Канадзава, доктар Ёсінобу Камакура, праф. Тосіюкі Ёкоі, праф. Шунсуке Нодзава, прафесар Казухіка Маэда, 12 мая 2022 г., Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
«Вось дзе вадкае паліва, такое як бензін, мае вялікую перавагу. Іх высокая шчыльнасць энергіі азначае вялікі запас ходу і хуткую запраўку».
Як наконт лічбаў? Як шчыльнасць энергіі мурашынай кіслаты суадносіцца з бензінам? Улічваючы толькі адзін атам вугляроду ў хімічнай формуле, я сумняваюся, што яна нават блізкая да бензіну.
Акрамя таго, пах вельмі таксічны, і, як кіслата, яна больш каразійная, чым бензін. Гэта не невырашальныя інжынерныя праблемы, але калі мурашыная кіслата не прапануе значных пераваг у павелічэнні запасу ходу і скарачэнні часу зарадкі акумулятара, яна, верагодна, не вартая намаганняў.
Калі б яны планавалі здабываць гётыт з глебы, гэта была б энергаёмістая здабыча карысных выкапняў і патэнцыйна шкодная для навакольнага асяроддзя.
Яны маглі б згадаць пра вялікую колькасць гётыту ў глебе, бо, падазраю, патрабуецца больш энергіі, каб атрымаць неабходную сыравіну і прарэагаваць з яе для сінтэзу гётыту.
Неабходна ўлічваць увесь жыццёвы цыкл працэсу і разлічыць энергетычныя выдаткі на ўсё. NASA не знайшла такога паняцця, як свабодны запуск. Іншым трэба мець гэта на ўвазе.
SciTechDaily: Дом найлепшых тэхналагічных навін з 1998 года. Будзьце ў курсе апошніх тэхналагічных навін па электроннай пошце або ў сацыяльных сетках.
Адной толькі думкі пра дымны і ап'яняльны водар барбекю дастаткова, каб у большасці людзей пацяклі слінкі. Лета надышло, і для многіх…