Zistilo sa, že široko rozšírený pôdny minerál, oxyhydroxid α-železa (III), je recyklovateľným katalyzátorom fotoredukcie oxidu uhličitého na kyselinu mravčiu. Zdroj: Prof. Kazuhiko Maeda
Fotoredukcia CO2 na prenosné palivá, ako je kyselina mravčia (HCOOH), je dobrý spôsob, ako bojovať proti rastúcim hladinám CO2 v atmosfére. Na pomoc s touto úlohou výskumný tím v Tokijskom technologickom inštitúte vybral ľahko dostupný minerál na báze železa a naniesol ho na nosič z oxidu hlinitého, aby vyvinul katalyzátor, ktorý dokáže efektívne premeniť CO2 na HCOOH s približne 90 % selektivitou!
Elektromobily sú pre mnohých ľudí atraktívnou možnosťou a hlavným dôvodom je, že neprodukujú žiadne emisie uhlíka. Veľkou nevýhodou pre mnohých je však ich krátky dojazd a dlhé časy nabíjania. V tomto smere majú kvapalné palivá, ako je benzín, veľkú výhodu. Ich vysoká energetická hustota znamená dlhý dojazd a rýchle doplnenie paliva.
Prechod z benzínu alebo nafty na iné kvapalné palivo môže eliminovať emisie uhlíka a zároveň zachovať výhody kvapalných palív. Napríklad v palivovom článku môže kyselina mravčia poháňať motor a zároveň uvoľňovať vodu a oxid uhličitý. Ak sa však kyselina mravčia vyrába redukciou atmosférického CO2 na HCOOH, potom jediným čistým výstupom je voda.
Rastúca hladina oxidu uhličitého v našej atmosfére a jej príspevok ku globálnemu otepľovaniu sú dnes bežnou správou. Keď výskumníci experimentovali s rôznymi prístupmi k problému, objavilo sa účinné riešenie – premena prebytočného oxidu uhličitého v atmosfére na energeticky bohaté chemikálie.
Výroba palív, ako je kyselina mravčia (HCOOH), fotoredukciou CO2 na slnečnom svetle v poslednej dobe pritiahla veľkú pozornosť, pretože tento proces má dvojaký prínos: znižuje nadmerné emisie CO2 a tiež pomáha minimalizovať nedostatok energie, ktorej v súčasnosti čelíme. Ako vynikajúci nosič vodíka s vysokou hustotou energie môže HCOOH poskytovať energiu spaľovaním, pričom ako vedľajší produkt uvoľňuje iba vodu.
Aby sa toto lukratívne riešenie stalo skutočnosťou, vedci vyvinuli fotokatalytické systémy, ktoré redukujú oxid uhličitý pomocou slnečného žiarenia. Tento systém pozostáva zo substrátu absorbujúceho svetlo (t. j. fotosenzibilizátora) a katalyzátora, ktorý umožňuje viacnásobný prenos elektrónov potrebný na redukciu CO2 na HCOOH. A tak začali hľadať vhodné a účinné katalyzátory!
Fotokatalytická redukcia oxidu uhličitého pomocou bežne používaných zložených infografík. Zdroj: Profesor Kazuhiko Maeda
Vďaka svojej účinnosti a potenciálnej recyklovateľnosti sa pevné katalyzátory považujú za najlepších kandidátov na túto úlohu a v priebehu rokov sa skúmali katalytické schopnosti mnohých kovovo-organických štruktúr (MOF) na báze kobaltu, mangánu, niklu a železa, pričom táto má oproti iným kovom určité výhody. Väčšina doteraz publikovaných katalyzátorov na báze železa však produkuje ako hlavný produkt iba oxid uhoľnatý, nie HCOOH.
Tento problém však rýchlo vyriešil tím výskumníkov z Tokijského technologického inštitútu (Tokyo Tech) pod vedením profesora Kazuhiko Maedu. V nedávnej štúdii publikovanej v chemickom časopise Angewandte Chemie tím demonštroval katalyzátor na báze železa s nosičom z oxidu hlinitého (Al2O3) s použitím oxyhydroxidu α-železa (α-FeO​​​OH; geotit). Nový katalyzátor α-FeO​​​OH/Al2O3 vykazuje vynikajúci výkon pri konverzii CO2 na HCOOH a vynikajúcu recyklovateľnosť. Keď sa profesora Maedu pýtali na výber katalyzátora, povedal: „Chceme preskúmať hojnejšie sa vyskytujúce prvky ako katalyzátory vo fotoredukčných systémoch CO2. Potrebujeme pevný katalyzátor, ktorý je aktívny, recyklovateľný, netoxický a lacný. Preto sme pre naše experimenty vybrali široko rozšírené pôdne minerály, ako je goethit.“
Tím použil na syntézu katalyzátora jednoduchú impregnačnú metódu. Následne použili materiály Al₂O₃ nanesené na železo na fotokatalytickú redukciu CO₂ pri izbovej teplote v prítomnosti fotosenzibilizátora na báze ruténia (Ru), donora elektrónov a viditeľného svetla s vlnovými dĺžkami nad 400 nanometrov.
Výsledky sú veľmi povzbudivé. Selektivita ich systému pre hlavný produkt HCOOH bola 80 – 90 % s kvantovým výťažkom 4,3 % (čo naznačuje účinnosť systému).
Táto štúdia predstavuje prvý pevný katalyzátor na báze železa, ktorý dokáže generovať HCOOH v spojení s účinným fotosenzibilizátorom. Taktiež sa zaoberá dôležitosťou vhodného nosného materiálu (Al2O3) a jeho vplyvom na fotochemickú redukčnú reakciu.
Poznatky z tohto výskumu môžu pomôcť vyvinúť nové katalyzátory bez ušľachtilých kovov na fotoredukciu oxidu uhličitého na iné užitočné chemikálie. „Náš výskum ukazuje, že cesta k zelenej energetickej ekonomike nie je zložitá. Aj jednoduché metódy prípravy katalyzátorov môžu priniesť skvelé výsledky a je dobre známe, že zlúčeniny hojne sa vyskytujúce na Zemi, ak sú podporené zlúčeninami, ako je oxid hlinitý, sa môžu použiť ako selektívny katalyzátor na redukciu CO2,“ uzatvára profesor Maeda.
Odkazy: “Alpha-Iron (III) Oxyhydroxide podporovaný oxidom hlinitým ako recyklovateľný pevný katalyzátor pre fotoredukciu CO2 vo viditeľnom svetle” od Daehyeona An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof. Shunsshiyuke, Prof. Nozawa, Prof. Kazuhiko Maeda, 12. máj 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
„A práve v tom majú kvapalné palivá ako benzín veľkú výhodu. Ich vysoká energetická hustota znamená dlhý dojazd a rýchle doplnenie paliva.“
A čo nejaké čísla? Ako sa energetická hustota kyseliny mravčej porovnáva s benzínom? Keďže v chemickom vzorci má iba jeden atóm uhlíka, pochybujem, že by sa čo i len priblížila benzínu.
Okrem toho je zápach veľmi toxický a ako kyselina je korozívnejšia ako benzín. Nie sú to neriešiteľné technické problémy, ale pokiaľ kyselina mravčia neponúka významné výhody pri zvyšovaní dojazdu a skracovaní času dobíjania batérie, pravdepodobne sa to neoplatí.
Ak by plánovali ťažiť goethit z pôdy, bola by to energeticky náročná ťažobná operácia a potenciálne by to mohlo poškodiť životné prostredie.
Možno spomenú veľa goethitu v pôde, pretože mám podozrenie, že by si vyžadovalo viac energie na získanie potrebných surovín a ich reakciu na syntézu goethitu.
Je potrebné pozrieť sa na celý životný cyklus procesu a vypočítať energetické náklady na všetko. NASA nenašla nič také ako voľný štart. Ostatní by to mali mať na pamäti.
SciTechDaily: Domov najlepších technologických správ od roku 1998. Sledujte najnovšie technologické správy prostredníctvom e-mailu alebo sociálnych médií.
Už len pomyslenie na dymové a omamné chute grilovania stačí na to, aby sa väčšine ľudí zbiehali slinky. Leto je tu a pre mnohých…