Ett vitt distribuerat jordmineral, α-järn-(III)oxihydroxid, visade sig vara en återvinningsbar katalysator för fotoreduktion av koldioxid till myrsyra. Bild: Prof. Kazuhiko Maeda
Fotoreduktion av CO2 till transporterbara bränslen som myrsyra (HCOOH) är ett bra sätt att bekämpa stigande CO2-nivåer i atmosfären. För att underlätta denna uppgift valde ett forskarteam vid Tokyo Institute of Technology ett lättillgängligt järnbaserat mineral och laddade det på ett aluminiumoxidbärare för att utveckla en katalysator som effektivt kan omvandla CO2 till HCOOH, med en selektivitet på cirka 90 %!
Elfordon är ett attraktivt alternativ för många, och en viktig anledning är att de inte har några koldioxidutsläpp. En stor nackdel för många är dock deras brist på räckvidd och långa laddningstider. Det är här flytande bränslen som bensin har en stor fördel. Deras höga energitäthet innebär långa räckvidder och snabb tankning.
Att byta från bensin eller diesel till ett annat flytande bränsle kan eliminera koldioxidutsläpp samtidigt som fördelarna med flytande bränslen bibehålls. I en bränslecell kan till exempel myrsyra driva en motor samtidigt som den frigör vatten och koldioxid. Men om myrsyra produceras genom att reducera atmosfärisk CO2 till HCOOH, är den enda nettoproduktionen vatten.
Stigande koldioxidnivåer i vår atmosfär och deras bidrag till global uppvärmning är nu vanliga nyheter. När forskare experimenterade med olika tillvägagångssätt för att lösa problemet framkom en effektiv lösning – att omvandla överskott av koldioxid i atmosfären till energirika kemikalier.
Produktionen av bränslen som myrsyra (HCOOH) genom fotoreduktion av CO2 i solljus har fått stor uppmärksamhet på senare tid eftersom processen har en dubbel fördel: den minskar överskott av CO2-utsläpp och hjälper också till att minimera den energibrist vi för närvarande står inför. Som en utmärkt bärare för väte med hög energitäthet kan HCOOH ge energi genom förbränning samtidigt som den endast frigör vatten som en biprodukt.
För att förverkliga denna lukrativa lösning har forskare utvecklat fotokatalytiska system som reducerar koldioxid med hjälp av solljus. Detta system består av ett ljusabsorberande substrat (dvs. en fotosensibiliseringsmedel) och en katalysator som möjliggör den multipla elektronöverföring som krävs för reduktion av CO2 till HCOOH. Och därmed började man söka efter lämpliga och effektiva katalysatorer!
Fotokatalytisk reduktion av koldioxid med hjälp av vanligt förekommande sammansatta infografik. Bild: Professor Kazuhiko Maeda
På grund av deras effektivitet och potentiella återvinningsbarhet anses fasta katalysatorer vara de bästa kandidaterna för denna uppgift, och under åren har de katalytiska förmågorna hos många kobolt-, mangan-, nickel- och järnbaserade metallorganiska ramverk (MOF) utforskats, bland vilka det senare har vissa fördelar jämfört med andra metaller. De flesta järnbaserade katalysatorer som hittills rapporterats producerar dock endast kolmonoxid som huvudprodukt, inte HCOOH.
Detta problem löstes dock snabbt av ett forskarteam vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) lett av professor Kazuhiko Maeda. I en nyligen publicerad studie i den kemiska tidskriften Angewandte Chemie demonstrerade teamet en aluminiumoxid (Al2O3)-stödd järnbaserad katalysator med hjälp av α-järn(III)oxihydroxid (α-FeO​​​OH; geotit). Den nya α-FeO​​​OH/Al2O3-katalysatorn uppvisar utmärkt prestanda för omvandling av CO2 till HCOOH och utmärkt återvinningsbarhet. När professor Maeda tillfrågades om deras val av katalysator sa han: "Vi vill utforska mer rikligt förekommande element som katalysatorer i CO2-fotoreduktionssystem. Vi behöver en fast katalysator som är aktiv, återvinningsbar, giftfri och billig. Det är därför vi valde vitt spridda jordmineraler som goetit för våra experiment."
Teamet använde en enkel impregneringsmetod för att syntetisera sin katalysator. De använde sedan järnburna Al₂O₃-material för att fotokatalytiskt reducera CO₂ vid rumstemperatur i närvaro av en ruteniumbaserad (Ru) fotosensibiliseringsmedel, elektrondonator och synligt ljus med våglängder över 400 nanometer.
Resultaten är mycket uppmuntrande. Selektiviteten hos deras system för huvudprodukten HCOOH var 80–90 % med ett kvantutbyte på 4,3 % (vilket indikerar systemets effektivitet).
Denna studie presenterar en järnbaserad fast katalysator, den första i sitt slag, som kan generera HCOOH i kombination med en effektiv fotosensibiliseringsmedel. Den diskuterar också vikten av lämpligt stödmaterial (Al₂O₃) och dess effekt på den fotokemiska reduktionsreaktionen.
Insikter från denna forskning kan bidra till att utveckla nya ädelmetallfria katalysatorer för fotoreduktion av koldioxid till andra användbara kemikalier. ”Vår forskning visar att vägen till en grön energiekonomi inte är komplicerad. Även enkla katalysatorberedningsmetoder kan ge fantastiska resultat, och det är välkänt att jordrika föreningar, om de stöds av föreningar som aluminiumoxid, kan användas som en selektiv katalysator för CO2-reduktion”, avslutar professor Maeda.
Referenser: "Aluminiumoxid-Supported Alpha-Iron (III) Oxyhydroxide as a Recyclable Solid Catalyst for CO2 Photoreduction under Visible Light" av Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof. Shuko To,shiyuki Prof. Kazuhiko Maeda, 12 maj 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
"Det är där flytande bränslen som bensin har en stor fördel. Deras höga energitäthet innebär långa räckvidder och snabb tankning."
Vad sägs om några siffror? Hur står sig energitätheten hos myrsyra i jämförelse med bensin? Med bara en kolatom i den kemiska formeln tvivlar jag på att den ens skulle komma i närheten av bensin.
Dessutom är lukten mycket giftig och, som syra, mer frätande än bensin. Detta är inte olösliga tekniska problem, men om inte myrsyra erbjuder betydande fördelar när det gäller att öka räckvidden och minska batteritiden, är det förmodligen inte värt ansträngningen.
Om de planerade att utvinna goetit ur jorden skulle det vara en energikrävande gruvdrift och potentiellt skadlig för miljön.
De kanske nämner mycket goetit i jorden eftersom jag misstänker att det skulle kräva mer energi för att få fram de nödvändiga råmaterialen och reagera med dem för att syntetisera goetit.
Det är nödvändigt att titta på hela processens livscykel och beräkna energikostnaden för allting. NASA har inte hittat något sådant som en gratis uppskjutning. Andra behöver ha detta i åtanke.
SciTechDaily: Hem för de bästa tekniknyheterna sedan 1998. Håll dig uppdaterad med de senaste tekniknyheterna via e-post eller sociala medier.
Bara tanken på de rökiga och berusande smakerna av BBQ är tillräckligt för att få de flesta att dregla. Sommaren är här, och för många…