Было обнаружено, что широко распространенный в почве минерал α-железа(III) оксигидроксид является катализатором, пригодным для повторного использования, при фотовосстановлении диоксида углерода до муравьиной кислоты. (Фото: профессор Казухико Маэда)
Фотовосстановление CO2 до пригодного для транспортировки топлива, такого как муравьиная кислота (HCOOH), является эффективным способом борьбы с ростом уровня CO2 в атмосфере. Для решения этой задачи исследовательская группа Токийского технологического института выбрала легкодоступный минерал на основе железа и нанесла его на носитель из оксида алюминия, чтобы разработать катализатор, способный эффективно преобразовывать CO2 в HCOOH с селективностью около 90%!
Электромобили привлекательны для многих, и одна из главных причин — отсутствие выбросов углекислого газа. Однако для многих существенным недостатком является малый запас хода и длительное время зарядки. Именно здесь жидкое топливо, такое как бензин, имеет большое преимущество. Его высокая энергетическая плотность обеспечивает большой запас хода и быструю заправку.
Переход от бензина или дизельного топлива к другому жидкому топливу может устранить выбросы углекислого газа, сохранив при этом преимущества жидкого топлива. Например, в топливном элементе муравьиная кислота может приводить в движение двигатель, выделяя воду и углекислый газ. Однако, если муравьиная кислота производится путем восстановления атмосферного CO2 до HCOOH, то единственным чистым результатом будет вода.
Повышение уровня углекислого газа в атмосфере и его вклад в глобальное потепление стали обычным явлением. В ходе экспериментов исследователей с различными подходами к решению проблемы было найдено эффективное решение — превращение избытка углекислого газа в атмосфере в богатые энергией химические вещества.
Производство топлива, такого как муравьиная кислота (HCOOH), путем фотовосстановления CO2 под воздействием солнечного света в последнее время привлекает большое внимание, поскольку этот процесс имеет двойную выгоду: он снижает избыточные выбросы CO2 и помогает минимизировать дефицит энергии, с которым мы сейчас сталкиваемся. Будучи отличным носителем водорода с высокой плотностью энергии, HCOOH может обеспечивать энергию за счет сгорания, выделяя в качестве побочного продукта только воду.
Чтобы воплотить это перспективное решение в жизнь, ученые разработали фотокаталитические системы, которые восстанавливают углекислый газ с помощью солнечного света. Эта система состоит из светопоглощающего субстрата (т.е. фотосенсибилизатора) и катализатора, обеспечивающего многоэлектронный перенос, необходимый для восстановления CO2 до HCOOH. Так начался поиск подходящих и эффективных катализаторов!
Фотокаталитическое восстановление диоксида углерода с использованием широко распространенных соединений (инфографика). Автор: профессор Казухико Маэда.
Благодаря своей эффективности и потенциальной возможности вторичной переработки, твердые катализаторы считаются лучшими кандидатами для этой задачи, и за прошедшие годы были исследованы каталитические возможности многих металлоорганических каркасов (МОК) на основе кобальта, марганца, никеля и железа, среди которых последний обладает некоторыми преимуществами перед другими металлами. Однако большинство катализаторов на основе железа, описанных до настоящего времени, производят в качестве основного продукта только монооксид углерода, а не муравьиную кислоту (HCOOH).
Однако эта проблема была быстро решена группой исследователей из Токийского технологического института (Tokyo Tech) под руководством профессора Казухико Маэды. В недавнем исследовании, опубликованном в химическом журнале Angewandte Chemie, команда продемонстрировала катализатор на основе железа, нанесенный на оксид алюминия (Al2O3), с использованием α-оксигидроксида железа(III) (α-FeO​​​ OH; гетит). Новый катализатор α-FeO​​​OH/Al2O3 демонстрирует превосходные показатели преобразования CO2 в HCOOH и отличную возможность повторного использования. Отвечая на вопрос о выборе катализатора, профессор Маэда сказал: «Мы хотим исследовать более распространенные элементы в качестве катализаторов в системах фотовосстановления CO2. Нам нужен твердый катализатор, который был бы активным, пригодным для повторного использования, нетоксичным и недорогим. Именно поэтому мы выбрали для наших экспериментов широко распространенные почвенные минералы, такие как гетит».
Для синтеза катализатора команда использовала простой метод пропитки. Затем они применили материалы Al2O3 на основе железа для фотокаталитического восстановления CO2 при комнатной температуре в присутствии фотосенсибилизатора на основе рутения (Ru), донора электронов и видимого света с длиной волны более 400 нанометров.
Результаты весьма обнадеживающие. Селективность их системы по отношению к основному продукту HCOOH составила 80–90% с квантовым выходом 4,3% (что свидетельствует об эффективности системы).
В данном исследовании представлен первый в своем роде твердый катализатор на основе железа, способный генерировать муравьиную кислоту (HCOOH) в сочетании с эффективным фотосенсибилизатором. Также обсуждается важность подходящего материала-носителя (Al2O3) и его влияние на фотохимическую реакцию восстановления.
Результаты этого исследования могут помочь в разработке новых катализаторов, не содержащих благородных металлов, для фотовосстановления диоксида углерода до других полезных химических веществ. «Наше исследование показывает, что путь к зеленой энергетической экономике несложен. Даже простые методы приготовления катализаторов могут дать отличные результаты, и хорошо известно, что распространенные в земной коре соединения, если они поддерживаются такими соединениями, как оксид алюминия, могут использоваться в качестве селективного катализатора для восстановления CO2», — заключает профессор Маэда.
Ссылки: «Оксигидроксид альфа-железа (III) на оксиде алюминия в качестве перерабатываемого твердого катализатора для фотовосстановления CO2 в видимом свете», авторы: Тэхён Ан, доктор Шунта Нисиока, доктор Шухей Ясуда, доктор Томоки Канадзава, доктор Ёсинобу Камакура, профессор Тосиюки Ёкои, профессор Сюнсуке Нодзава, Профессор Казухико Маэда, 12 мая 2022 г., Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / nie.202204948
«В этом и заключается большое преимущество жидкого топлива, такого как бензин. Высокая плотность энергии обеспечивает большой запас хода и быструю заправку».
А как насчет цифр? Как энергетическая плотность муравьиной кислоты соотносится с бензином? Учитывая, что в ее химической формуле всего один атом углерода, я сомневаюсь, что она хотя бы приблизится к бензину по этому показателю.
Кроме того, запах очень токсичен, и, будучи кислотой, она более едкая, чем бензин. Это не неразрешимые инженерные проблемы, но если муравьиная кислота не обеспечит существенных преимуществ в увеличении запаса хода и сокращении времени заправки батареи, то, вероятно, усилия на это не стоят затраченных усилий.
Если бы они планировали добывать гетит из земли, это был бы энергоемкий горнодобывающий процесс, потенциально наносящий ущерб окружающей среде.
Возможно, они упомянули большое количество гетита в почве, поскольку я подозреваю, что для получения необходимого сырья и проведения реакций с ним для синтеза гетита потребуется больше энергии.
Необходимо рассмотреть весь жизненный цикл процесса и рассчитать энергетические затраты на всё. НАСА не обнаружило ничего, что можно было бы назвать бесплатным запуском. Другим следует это помнить.
SciTechDaily: Источник лучших новостей о технологиях с 1998 года. Будьте в курсе последних новостей в сфере технологий по электронной почте или в социальных сетях.
Одна только мысль о дымном и опьяняющем вкусе барбекю вызывает у большинства людей слюноотделение. Лето наступило, и для многих…