Yeni ışıkla aktive olan katalizör, yakıt için gerekli maddeleri yapmak için CO2'yi tutuyor
Bilim adamları, istenmeyen yan ürünler üretmeden karbon dioksiti karbon monoksite kimyasal olarak dönüştüren ışık geçiren bir materyal geliştirdiler. Bu başarı, güçlü bir sera gazı seviyesini azaltırken, güneş enerjisiyle çalışan bir katalizör kullanarak yakıt ve diğer enerji açısından zengin ürünlerin üretilmesine yardımcı olabilecek teknolojinin geliştirilmesinde önemli bir adım attı.
Görünür ışığa maruz kaldığında, malzeme, "süngerimsi" nikel organik kristal yapı, karbon dioksiti (CO2) bir reaksiyon haznesine sadece karbon monoksit (CO) gazına dönüştürdü, ki bu da sıvı yakıtlara, çözücü maddelere dönüştürebilir ve diğer yararlı ürünler.
Enerji Bakanlığı'nın Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuarı (Berkeley Lab) ve Nanyang Teknoloji Üniversitesi'nde (NTU) bilim adamları tarafından yönetilen uluslararası bir araştırma ekibi, Science Advances dergisinde 28 Temmuz çalışmasını yayınladı.
Berkeley Laboratuarı'nın Malzeme Bilimi Bölümünde çalışan bilim adamı Haimei Zheng ve çalışmanın eş-yazar yazarı, "Hidrojen veya metan gibi rakip gaz ürünlerinin tespiti olmadan, CO üretiminin yüzde 100 civarında seçiciliğini gösteriyoruz" dedi. "Bu büyük bir anlaşma. Karbondioksit indirgemede, bir ürünle değil, farklı şeylerin karışımıyla uzaklaşmak istersiniz."
Rekabetten kurtulmak
Kimyada indirgeme, bir reaksiyonda elektron kazanımını ifade ederken, bir atomun elektronları kaybettiği zaman oksidasyon olur. Karbohidrat indirgemenin iyi bilinen örnekleri arasında bitkiler karbonhidratlar ve oksijen oluştururken elektronları sudan karbondioksite geçirdiğinde fotosentezdedir.
Karbon dioksit indirgemesi, molekülün kararlı bağlarını kırmaya yardımcı olmak için katalizörlere ihtiyaç duyar. Güneş enerjisiyle çalışan karbondioksitin yakıt üretimi için azaltılması için katalizörlerin geliştirilmesi, son yüzyılda fosil yakıtların hızla tüketilmesi ve yenilenebilir enerji kaynakları arzusuyla artmıştır.
Araştırmacılar özellikle karbondioksitin azaltılmasında rekabet eden kimyasal reaksiyonları ortadan kaldırmaya istekli olmuştur.
Zheng, "Bir fotokatalitik CO2-to-CO dönüşümü sırasında rakip hidrojen evriminin tamamen bastırılması çalışmalarımızdan önce gerçekleştirilemedi, " dedi.
Berkeley Lab'da, Zheng ve meslektaşları, metal-organik kompozit malzeme oluşturmada yenilikçi bir lazer kimyasal yöntem geliştirdiler. Nikel öncülerini bir trietilen glikol solüsyonunda çözmüşler ve solüsyonu, ışığı absorbe ettikleri için solüsyonda bir zincir reaksiyonu meydana getiren odaklanmamış bir kızılötesi lazere maruz bırakmışlardır. Elde edilen reaksiyon daha sonra çözeltiden ayrılan metal-organik kompozitler oluşturdu.
Zheng'in laboratuarında bir malzeme uzmanı olan kozmeti yazar Kaiyang Niu, "Lazerin dalga boyunu değiştirdiğimizde, farklı kompozitler elde edeceğiz" dedi. "Bu, reaksiyonların ısıyla aktive edilmeden ziyade ışıkla aktive olduğunu belirledik."
Araştırmacılar, materyalin yapısını, Berkeley Lab'deki bir DOE Fen Bilimleri Kullanıcısı Bürosu olan Molecular Foundry'de karakterize etti. Nikel-organik fotokatalist, metal-organik çerçeveler veya MOF'ler ile kayda değer benzerlikler göstermiştir. MOF'ler, organik ve inorganik bileşenler arasında rijit bağlayıcılar içeren düzenli bir kristal yapıya sahipken, bu yeni fotokatalist, nikel ile bağlanmış uzunluklarda değişen uzunluklardaki yumuşak bağlayıcıların bir karışımını içerir ve bu da mimaride kusurlar yaratır.
Niu, "Ortaya çıkan kusurlar kasıtlıdır, daha fazla gözenek ve katalitik reaksiyonların meydana gelebileceği yerler oluşturur." "Bu yeni malzeme, geleneksel ısıtma ile üretilen MOF'lere kıyasla daha aktif ve yüksek oranda seçicidir."
CO2'nin CO'ya indirgenmesi
NTU'daki bilim adamları, yeni malzemeyi karbondioksitle dolu bir gaz odasında test ettiler, reaksiyon ürünlerini düzenli zaman aralıklarında gaz kromatografisi ve kütle spektrometresi teknikleri kullanarak ölçtüler. Oda sıcaklığında bir saat içinde, 1 gram nikel-organik katalizörün 16, 000 mikromol veya 400 mililitre karbon monoksit üretebildiğini tespit etmişlerdir. Dahası, katalizörün, uzun bir süre kullanılmasına izin veren ümit verici bir stabilite seviyesine sahip olduğunu belirlediler.
Karbondioksitin katalizörlerle indirgenmesi yeni değildir, ancak diğer malzemeler genellikle işlemde çok sayıda kimyasal üretir. Araştırmacılar, bu malzeme ile karbon monoksitin neredeyse toplam üretiminin yeni bir seçicilik ve kontrol seviyesini temsil ettiğini vurguladı.
Araştırmacıların bu seçiciliğin nasıl gerçekleştiği hakkında bazı düşünceleri var. Fotokatalistlerinin mimarisinin, karbondioksit anyonlarının reaksiyon bölgelerine bağlanmasını kolaylaştırdığını ve hidrojen radikallerinin toprağa az yer bıraktığını öne sürüyorlar. Araştırmacılar, bunun hidrojen gazı oluşturmak için gerekli proton transferlerini sınırlayacağını söyledi.
Araştırmacılar, nikel-organik fotokatalistleri, sırasıyla, formik ve asetik asitler oluşturmak için rodyum veya gümüş nanokristaller ile zenginleştirerek daha fazla ittiler. Karınca zehiri ve batma ısırganlarında bulunan formik asit ve sirkenin ana bileşeni olan asetik asit, sanayide yaygın olarak kullanılmaktadır. Daha da önemlisi, araştırmacılar, bu ürünlerin moleküllerinin iki karbonlu bağlantılarla karakterize olduğunu, daha fazla karbon bağları ile daha yüksek enerjili sıvı yakıtların üretilmesine doğru bir adım olduğunu belirtti.
Zheng, "Şu anda dünya fosil yakıtlara alternatifler yaratmanın ve atmosferdeki aşırı CO2 düzeylerini saptamanın yenilikçi yollarına ihtiyaç duyuyor" dedi. "CO2'yi güneş enerjisini kullanarak yakıtlara dönüştürmek, küresel bir araştırma çabasıdır. Burada gösterdiğimiz süngersi nikel organik fotokatalist, güneş enerjisini kullanan yüksek değerli çok karbonlu yakıtların pratik üretimine yönelik kritik bir adımdır."