Ein billiger Katalysator aus Zucker hat die Fähigkeit, Kohlendioxid zu zerstören

Der neue Katalysator könnte eine mögliche Lösung für die Nutzung von abgeschiedenem Kohlenstoff darstellen.

Ein neuer Katalysator, der aus einem kostengünstigen und reichlich vorhandenen Metall, gewöhnlichem Haushaltszucker, hergestellt wird, hat die Fähigkeit, Kohlendioxid (CO2) zu zerstören.₂) Gas.

In einer neuen Studie der Northwestern University konnte der Katalysator Kohlendioxid erfolgreich umwandeln₂ zu Kohlenmonoxid (CO), einem wichtigen Baustein für die Produktion einer Vielzahl nützlicher Chemikalien. Wenn die Reaktion in Gegenwart von Wasserstoff, beispielsweise CO, stattfindet₂ Wasserstoff wird in synthetisches Gas (oder Synthesegas) umgewandelt, ein wertvolles Material zur Herstellung von Kraftstoff, der Benzin ersetzen kann.

Angesichts der jüngsten Fortschritte bei den Technologien zur Kohlenstoffabscheidung ist die Kohlenstoffabscheidung nach der Verbrennung zu einer sinnvollen Option geworden, um zur Bewältigung der globalen Klimakrise beizutragen. Doch wie mit dem eingefangenen Kohlenstoff umgegangen werden soll, bleibt eine offene Frage. Der neue Katalysator bietet möglicherweise eine Lösung zur Beseitigung des starken Treibhausgases, indem er es in ein wertvolleres Produkt umwandelt.

Die Studie wird in der Ausgabe des Magazins vom 3. Mai veröffentlicht Wissenschaften.

„Auch wenn wir aufhören, Kohlendioxid auszustoßen₂ Jetzt wird unsere Atmosphäre immer noch einen Überschuss an Kohlendioxid enthalten₂ „Es ist das Ergebnis industrieller Aktivitäten vergangener Jahrhunderte“, sagte Milad Khoshoui von der Northwestern University, der die Studie mitleitete. „Für dieses Problem gibt es keine Patentlösung. Wir müssen Kohlendioxid reduzieren₂ Emissionen Und Finden Sie neue Wege, um Kohlendioxid zu reduzieren₂ In der Atmosphäre bereits vorhandene Konzentration. Wir müssen alle möglichen Lösungen nutzen.“

Dieses Diagramm zeigt den gesamten Prozess der Herstellung eines Katalysators und seiner Verwendung zur Umwandlung von Kohlendioxid. Bildnachweis: Milad Khoshoui

„Wir sind nicht die erste Forschungsgruppe, die Kohlendioxid umwandelt₂ „Weiter zu einem anderen Produkt“, sagte Omar K. Farha von der Northwestern University ist der leitende Autor der Studie. „Damit der Prozess jedoch wirklich praktikabel ist, ist ein Katalysator erforderlich, der mehrere kritische Kriterien erfüllt: Erschwinglichkeit, Stabilität, einfache Produktion und Skalierbarkeit. Glücklicherweise ist unser Material bei der Erfüllung dieser Anforderungen von entscheidender Bedeutung.

Als Experte für Kohlenstoffabscheidungstechnologien ist Farha Charles E. und Emma H. ​​​​Morrison Professor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. Nach Beginn dieser Arbeit mit einem Ph.D. Khoshwai ist Kandidat an der University of Calgary in Kanada und jetzt Postdoktorand in Farhas Labor.

Lösungen aus dem Laden

Das Geheimnis des neuen Katalysators ist Molybdänkarbid, ein extrem harter Keramikwerkstoff. Im Gegensatz zu vielen anderen Katalysatoren, die teure Metalle wie Platin oder Palladium erfordern, ist Molybdän ein kostengünstiges, unedles Metall, das auf der Erde reichlich vorhanden ist.

Um Molybdän in Molybdäncarbid umzuwandeln, benötigten Wissenschaftler eine Kohlenstoffquelle. Sie entdeckten eine günstige Option an einem unerwarteten Ort: der Speisekammer. Überraschenderweise diente Zucker – die weiße, körnige Sorte, die in fast jedem Haushalt vorkommt – als praktische und kostengünstige Quelle für Kohlenstoffatome.

„Jeden Tag, an dem ich versuchte, diese Materialien herzustellen, brachte ich Zucker von zu Hause ins Labor“, sagte Khoshoui. „Im Vergleich zu anderen Materialklassen, die üblicherweise in Katalysatoren verwendet werden, sind unsere Produkte unglaublich kostengünstig.“

Erfolgreiche und stabile Selektivität

Beim Testen des Katalysators waren Farha, Khoshoui und ihre Mitarbeiter von seinem Erfolg beeindruckt. Funktioniert bei Umgebungsdruck und hohen Temperaturen (300–600 Grad). Celsius), der umgewandelte Katalysator CO₂ zu Kohlendioxid mit 100 % Selektivität.

Hohe Selektivität bedeutet, dass der Katalysator nur mit Kohlendioxid arbeitet₂ Ohne die umliegenden Materialien zu beschädigen. Mit anderen Worten: Die Industrie kann den Katalysator auf große Mengen eingefangener Gase anwenden und gezielt nur Kohlendioxid angreifen.₂. Der Katalysator blieb auch über die Zeit stabil, das heißt, er blieb aktiv und zersetzte sich nicht.

„In der Chemie ist es nicht ungewöhnlich, dass ein Katalysator nach einigen Stunden seine Selektivität verliert“, sagte Farha. „Aber nach 500 Stunden unter rauen Bedingungen änderte sich seine Selektivität nicht.“

Dies ist besonders bemerkenswert, da CO₂ Es ist ein stabiles und hartnäckiges Molekül.

„CO-Umwandlung₂ „Es ist nicht einfach“, sagte Khoshuai. „Ko₂ Es ist ein chemisch stabiles Molekül, und wir mussten diese Stabilität überwinden, was viel Energie erfordert.

Der Tandem-Ansatz zur Kohlenstoffreinigung

Das Hauptaugenmerk des Farha Lab liegt auf der Entwicklung von Materialien, die zur Kohlenstoffbindung erforderlich sind. Seine Gruppe entwickelt metallorganische Gerüste (Metallorganische Gerüste), eine Klasse hochporöser Materialien in Nanogröße, die Farha mit „hochentwickelten, programmierbaren Badeschwämmen“ vergleicht. Farha erforscht MOFs für verschiedene Anwendungen, einschließlich der Kohlendioxidabscheidung₂ Direkt aus der Luft.

Nun sagt Farha, dass das MOF und der neue Katalysator zusammenarbeiten könnten, um eine Rolle bei der Kohlenstoffabscheidung und -bindung zu spielen.

„Irgendwann könnten wir MOFs verwenden, um Kohlendioxid einzufangen, gefolgt von einem Katalysator, um es in etwas Nützlicheres umzuwandeln“, schlug Farha vor. „Ein Tandemsystem, das zwei unterschiedliche Materialien für zwei aufeinanderfolgende Schritte verwendet, könnte der Weg in die Zukunft sein.“

„Dies könnte uns bei der Beantwortung der Frage helfen: Was machen wir mit dem eingefangenen Kohlendioxid?“₂„Khushui fügte hinzu. „Derzeit ist geplant, es unterirdisch zu isolieren. Um Kohlendioxid sicher und dauerhaft zu speichern, müssen unterirdische Reservoire jedoch mehrere Anforderungen erfüllen.“₂. Wir wollten eine universellere Lösung entwickeln, die überall einsetzbar ist und gleichzeitig einen wirtschaftlichen Mehrwert bietet.

Referenz: „Aktiver und stabiler kubischer Molybdäncarbid-Katalysator für die reversible Hochtemperatur-Wasser-Gas-Transformationsreaktion“ von Milad Ahmadi Khoshui, Shijun Wang, Gerardo Vitale, Philip Formalek, Kent O. Kerlikovalli, Randall Q. Senor, Pedro Pereira-Almao und Omar K. Farha, 2. Mai 2024, Wissenschaften.
doi: 10.1126/science.adl1260

Diese Studie wurde vom US-Energieministerium, der National Science Foundation und dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada unterstützt.