Un mineral din sol larg răspândit, α-oxihidroxidul de fier (III), s-a dovedit a fi un catalizator reciclabil pentru fotoreducerea dioxidului de carbon la acid formic. Credit: Prof. Kazuhiko Maeda
Fotoreducerea CO2 la combustibili transportabili, cum ar fi acidul formic (HCOOH), este o modalitate bună de a combate creșterea nivelului de CO2 din atmosferă. Pentru a ajuta la această sarcină, o echipă de cercetare de la Institutul de Tehnologie din Tokyo a selectat un mineral pe bază de fier ușor disponibil și l-a încărcat pe un suport de alumină pentru a dezvolta un catalizator care poate converti eficient CO2 în HCOOH, cu o selectivitate de aproximativ 90%!
Vehiculele electrice sunt o opțiune atractivă pentru mulți oameni, iar un motiv cheie este faptul că nu au emisii de carbon. Un mare dezavantaj pentru mulți, însă, este lipsa autonomiei și timpii lungi de încărcare. Aici combustibilii lichizi, precum benzina, au un mare avantaj. Densitatea lor mare de energie înseamnă autonomii lungi și realimentare rapidă.
Trecerea de la benzină sau motorină la un alt combustibil lichid poate elimina emisiile de carbon, păstrând în același timp avantajele combustibililor lichizi. Într-o pilă de combustie, de exemplu, acidul formic poate alimenta un motor, eliberând în același timp apă și dioxid de carbon. Cu toate acestea, dacă acidul formic este produs prin reducerea CO2 atmosferic la HCOOH, atunci singura producție netă este apa.
Creșterea nivelului de dioxid de carbon din atmosferă și contribuția acestuia la încălzirea globală sunt acum o știre comună. Pe măsură ce cercetătorii au experimentat diferite abordări ale problemei, a apărut o soluție eficientă - transformarea excesului de dioxid de carbon din atmosferă în substanțe chimice bogate în energie.
Producerea de combustibili precum acidul formic (HCOOH) prin fotoreducerea CO2 în lumina soarelui a atras multă atenție recent, deoarece procesul are un dublu beneficiu: reduce emisiile excesive de CO2 și, de asemenea, ajută la minimizarea deficitului de energie cu care ne confruntăm în prezent. Fiind un excelent purtător de hidrogen cu densitate energetică mare, HCOOH poate furniza energie prin ardere, eliberând în același timp doar apă ca produs secundar.
Pentru a transforma această soluție profitabilă în realitate, oamenii de știință au dezvoltat sisteme fotocatalitice care reduc dioxidul de carbon cu ajutorul luminii solare. Acest sistem constă dintr-un substrat care absoarbe lumina (adică un fotosensibilizator) și un catalizator care permite transferul multiplu de electroni necesar pentru reducerea CO2 la HCOOH. Și astfel au început să se caute catalizatori adecvați și eficienți!
Reducerea fotocatalitică a dioxidului de carbon folosind infografice compuse utilizate în mod obișnuit. Credit: Profesor Kazuhiko Maeda
Datorită eficienței și potențialului lor de reciclare, catalizatorii solizi sunt considerați cei mai buni candidați pentru această sarcină, iar de-a lungul anilor au fost explorate capacitățile catalitice ale multor structuri metalo-organice (MOF) pe bază de cobalt, mangan, nichel și fier, printre care acesta din urmă prezintă unele avantaje față de alte metale. Cu toate acestea, majoritatea catalizatorilor pe bază de fier raportați până în prezent produc doar monoxid de carbon ca produs principal, nu și HCOOH.
Totuși, această problemă a fost rezolvată rapid de o echipă de cercetători de la Institutul de Tehnologie din Tokyo (Tokyo Tech), condusă de profesorul Kazuhiko Maeda. Într-un studiu recent publicat în revista chimică Angewandte Chemie, echipa a demonstrat un catalizator pe bază de fier pe suport de alumină (Al2O3) utilizând α-oxihidroxid de fier(III) (α-FeO​​​OH; geotit). Noul catalizator α-FeO​​​OH/Al2O3 prezintă performanțe excelente de conversie a CO2 în HCOOH și o reciclabilitate excelentă. Când a fost întrebat despre alegerea catalizatorului, profesorul Maeda a spus: „Dorim să explorăm elemente mai abundente ca și catalizatori în sistemele de fotoreducere a CO2. Avem nevoie de un catalizator solid care să fie activ, reciclabil, netoxic și ieftin. De aceea, am ales minerale din sol larg răspândite, cum ar fi goetitul, pentru experimentele noastre.”
Echipa a folosit o metodă simplă de impregnare pentru a sintetiza catalizatorul. Apoi au folosit materiale Al₂O₃ pe suport de fier pentru a reduce fotocatalitic CO₂ la temperatura camerei în prezența unui fotosensibilizator pe bază de ruteniu (Ru), a unui donor de electroni și a luminii vizibile cu lungimi de undă de peste 400 de nanometri.
Rezultatele sunt foarte încurajatoare. Selectivitatea sistemului lor pentru produsul principal HCOOH a fost de 80–90%, cu un randament cuantic de 4,3% (indicând eficiența sistemului).
Acest studiu prezintă un catalizator solid pe bază de fier, primul de acest fel, care poate genera HCOOH atunci când este asociat cu un fotosensibilizator eficient. De asemenea, discută importanța unui material suport adecvat (Al2O3) și efectul acestuia asupra reacției de reducere fotochimică.
„Perspectivele obținute în urma acestei cercetări ar putea ajuta la dezvoltarea de noi catalizatori fără metale nobile pentru fotoreducerea dioxidului de carbon la alte substanțe chimice utile.” „Cercetările noastre arată că drumul către o economie bazată pe energie verde nu este complicat. Chiar și metodele simple de preparare a catalizatorilor pot da rezultate excelente și este bine cunoscut faptul că compușii abundenți pe Pământ, dacă sunt susținuți de compuși precum alumina, pot fi utilizați ca și catalizatori selectivi pentru reducerea CO2”, conchide prof. Maeda.
Referințe: „Oxihidroxid alfa-fier (III) suportat de alumină ca catalizator solid reciclabil pentru fotoreducerea CO2 în lumină vizibilă” de Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof. Yoshinobu Kamakura, Prof. Yoshinobu Kamakura, Prof .. Tokoishi No. Kazuhiko Maeda, 12 mai 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
„Aici combustibilii lichizi precum benzina au un mare avantaj. Densitatea lor energetică ridicată înseamnă autonomii lungi și realimentare rapidă.”
Ce ziceți de niște cifre? Cum se compară densitatea energetică a acidului formic cu cea a benzinei? Având un singur atom de carbon în formula chimică, mă îndoiesc că s-ar apropia măcar de cea a benzinei.
În plus, mirosul este foarte toxic și, ca acid, este mai coroziv decât benzina. Acestea nu sunt probleme inginerești insolubile, dar dacă acidul formic nu oferă avantaje semnificative în creșterea autonomiei și reducerea timpului de realimentare a bateriei, probabil că nu merită efortul.
Dacă ar plănui să extragă goethit din sol, ar fi o operațiune minieră consumatoare de energie și ar putea dăuna mediului.
Ar putea menționa o cantitate mare de goethit în sol, deoarece bănuiesc că ar fi nevoie de mai multă energie pentru a obține materiile prime necesare și a le reacționa pentru a sintetiza goethitul.
Este necesar să se analizeze întregul ciclu de viață al procesului și să se calculeze costul energetic al fiecărui proces. NASA nu a găsit așa ceva precum o lansare gratuită. Alții trebuie să țină cont de acest lucru.
SciTechDaily: Acasă la cele mai bune știri din domeniul tehnologiei din 1998. Rămâi la curent cu cele mai recente știri din domeniul tehnologiei prin e-mail sau rețele sociale.
Doar gândul la aromele afumate și îmbătătoare ale grătarului este suficient pentru a-i face pe majoritatea oamenilor să saliveze. Vara a venit și pentru mulți…