یک ماده معدنی خاک که به طور گسترده توزیع شده است، α-آهن-(III) اکسی هیدروکسید، به عنوان یک کاتالیزور قابل بازیافت برای کاهش نوری دی اکسید کربن به اسید فرمیک شناخته شد. منبع: پروفسور کازوهیکو مائدا
کاهش نوری CO2 به سوخت‌های قابل حمل مانند اسید فرمیک (HCOOH) راه خوبی برای مقابله با افزایش سطح CO2 در جو است. برای کمک به این کار، یک تیم تحقیقاتی در موسسه فناوری توکیو یک ماده معدنی مبتنی بر آهن را که به راحتی در دسترس است انتخاب کرده و آن را روی یک پایه آلومینا بارگذاری کردند تا کاتالیزوری را توسعه دهند که بتواند CO2 را به طور موثر، با حدود 90٪ گزینش‌پذیری، به HCOOH تبدیل کند!
وسایل نقلیه الکتریکی برای بسیاری از مردم گزینه جذابی هستند و دلیل اصلی آن این است که هیچ گونه انتشار کربنی ندارند. با این حال، یک نکته منفی بزرگ برای بسیاری، عدم برد و زمان شارژ طولانی آنهاست. اینجاست که سوخت‌های مایع مانند بنزین مزیت بزرگی دارند. چگالی انرژی بالای آنها به معنای برد طولانی و سوخت‌گیری سریع است.
تغییر از بنزین یا گازوئیل به یک سوخت مایع متفاوت می‌تواند انتشار کربن را از بین ببرد و در عین حال مزایای سوخت‌های مایع را حفظ کند. به عنوان مثال، در یک پیل سوختی، اسید فرمیک می‌تواند موتور را به حرکت درآورد و در عین حال آب و دی اکسید کربن آزاد کند. با این حال، اگر اسید فرمیک با کاهش CO2 اتمسفری به HCOOH تولید شود، تنها خروجی خالص آب است.
افزایش سطح دی اکسید کربن در جو زمین و سهم آن در گرمایش جهانی اکنون به اخبار رایج تبدیل شده است. همانطور که محققان رویکردهای مختلفی را برای این مشکل آزمایش می‌کردند، یک راه حل مؤثر پدیدار شد - تبدیل دی اکسید کربن اضافی در جو به مواد شیمیایی غنی از انرژی.
تولید سوخت‌هایی مانند اسید فرمیک (HCOOH) از طریق کاهش نوری CO2 در نور خورشید، اخیراً توجه زیادی را به خود جلب کرده است، زیرا این فرآیند دو مزیت دارد: انتشار CO2 اضافی را کاهش می‌دهد و همچنین به حداقل رساندن کمبود انرژی که در حال حاضر با آن مواجه هستیم، کمک می‌کند. HCOOH به عنوان یک حامل عالی برای هیدروژن با چگالی انرژی بالا، می‌تواند از طریق احتراق انرژی فراهم کند و در عین حال تنها آب را به عنوان محصول جانبی آزاد کند.
برای تحقق این راه‌حل سودآور، دانشمندان سیستم‌های فوتوکاتالیستی را توسعه داده‌اند که دی‌اکسید کربن را با کمک نور خورشید کاهش می‌دهند. این سیستم شامل یک زیرلایه جاذب نور (یعنی یک حساسگر نوری) و یک کاتالیزور است که انتقال الکترون چندگانه مورد نیاز برای کاهش CO2 به HCOOH را امکان‌پذیر می‌کند. و بنابراین شروع به جستجوی کاتالیزورهای مناسب و کارآمد کردند!
کاهش فوتوکاتالیستی دی اکسید کربن با استفاده از اینفوگرافیک ترکیبات رایج. منبع: پروفسور کازوهیکو مائدا
با توجه به کارایی و قابلیت بازیافت بالقوه آنها، کاتالیزورهای جامد بهترین کاندیداها برای این کار محسوب می‌شوند و در طول سال‌ها، قابلیت‌های کاتالیزوری بسیاری از چارچوب‌های فلزی-آلی (MOF) مبتنی بر کبالت، منگنز، نیکل و آهن بررسی شده است که در میان آنها، مورد دوم نسبت به سایر فلزات مزایایی دارد. با این حال، اکثر کاتالیزورهای مبتنی بر آهن که تاکنون گزارش شده‌اند، فقط مونوکسید کربن را به عنوان محصول اصلی تولید می‌کنند، نه HCOOH.
با این حال، این مشکل به سرعت توسط تیمی از محققان در موسسه فناوری توکیو (Tokyo Tech) به رهبری پروفسور کازوهیکو مائدا حل شد. در مطالعه‌ای که اخیراً در مجله شیمی Angewandte Chemie منتشر شده است، این تیم یک کاتالیزور مبتنی بر آهن با پشتیبانی آلومینا (Al2O3) را با استفاده از α-آهن(III) اکسی هیدروکسید (α-FeO​​​​ OH; geothite) نشان دادند. کاتالیزور جدید α-FeO​​​​OH/Al2O3 عملکرد تبدیل CO2 به HCOOH عالی و قابلیت بازیافت عالی را نشان می‌دهد. وقتی از پروفسور مائدا در مورد انتخاب کاتالیزورشان سوال شد، او گفت: «ما می‌خواهیم عناصر فراوان‌تری را به عنوان کاتالیزور در سیستم‌های کاهش نوری CO2 بررسی کنیم. ما به یک کاتالیزور جامد نیاز داریم که فعال، قابل بازیافت، غیرسمی و ارزان باشد. به همین دلیل است که ما مواد معدنی خاکی با پراکندگی گسترده مانند گوتیت را برای آزمایش‌های خود انتخاب کردیم.»
این تیم از یک روش اشباع ساده برای سنتز کاتالیزور خود استفاده کرد. سپس آنها از مواد Al2O3 با پایه آهن برای کاهش فوتوکاتالیستی CO2 در دمای اتاق در حضور یک حساسگر نوری مبتنی بر روتنیوم (Ru)، دهنده الکترون و نور مرئی با طول موج بیش از 400 نانومتر استفاده کردند.
نتایج بسیار دلگرم‌کننده هستند. گزینش‌پذیری سیستم آنها برای محصول اصلی HCOOH، 80 تا 90 درصد با بازده کوانتومی 4.3 درصد بود (که نشان‌دهنده کارایی سیستم است).
این مطالعه یک کاتالیزور جامد مبتنی بر آهن را ارائه می‌دهد که در نوع خود اولین است و می‌تواند در صورت جفت شدن با یک حساسگر نوری کارآمد، HCOOH تولید کند. همچنین اهمیت ماده پایه مناسب (Al2O3) و تأثیر آن بر واکنش کاهش فتوشیمیایی را مورد بحث قرار می‌دهد.
بینش‌های حاصل از این تحقیق می‌تواند به توسعه کاتالیزورهای جدید بدون فلزات نجیب برای کاهش نوری دی‌اکسید کربن به سایر مواد شیمیایی مفید کمک کند. پروفسور مائدا در پایان می‌گوید: «تحقیقات ما نشان می‌دهد که مسیر رسیدن به اقتصاد انرژی سبز پیچیده نیست. حتی روش‌های ساده آماده‌سازی کاتالیزور نیز می‌توانند نتایج بسیار خوبی به همراه داشته باشند و به خوبی شناخته شده است که ترکیبات فراوان در زمین، در صورت پشتیبانی توسط ترکیباتی مانند آلومینا، می‌توانند به عنوان یک کاتالیزور انتخابی برای کاهش CO2 استفاده شوند.»
منابع: "اکسی هیدروکسید آلفا آهن (III) با پشتیبانی از آلومینا به عنوان یک کاتالیزور جامد قابل بازیافت برای کاهش نور CO2 تحت نور مرئی" توسط Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Yoshinobu Kamakura, Yoshinobu Kamakura, Prof. پروفسور Kazuhiko Maeda، 12 مه 2022، Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
«اینجاست که سوخت‌های مایع مانند بنزین مزیت بزرگی دارند. چگالی انرژی بالای آنها به معنای برد طولانی و سوخت‌گیری سریع است.»
در مورد چند عدد چطور؟ چگالی انرژی اسید فرمیک در مقایسه با بنزین چگونه است؟ با توجه به اینکه تنها یک اتم کربن در فرمول شیمیایی آن وجود دارد، شک دارم که حتی به بنزین نزدیک هم بشود.
علاوه بر این، بوی آن بسیار سمی است و به عنوان یک اسید، خورنده‌تر از بنزین است. اینها مشکلات مهندسی غیرقابل حلی نیستند، اما مگر اینکه اسید فرمیک مزایای قابل توجهی در افزایش برد و کاهش زمان سوخت‌گیری باتری ارائه دهد، احتمالاً ارزش تلاش کردن را ندارد.
اگر آنها قصد استخراج گوتیت از خاک را داشتند، این یک عملیات استخراج انرژی‌بر بود و به طور بالقوه برای محیط زیست مضر بود.
آنها ممکن است به مقدار زیادی گوتیت در خاک اشاره کنند، زیرا من گمان می‌کنم که برای تهیه مواد اولیه لازم و واکنش آنها برای سنتز گوتیت به انرژی بیشتری نیاز است.
لازم است کل چرخه عمر فرآیند بررسی شود و هزینه انرژی همه چیز محاسبه شود. ناسا چیزی به عنوان پرتاب رایگان پیدا نکرد. دیگران باید این را در نظر داشته باشند.
SciTechDaily: خانه بهترین اخبار فناوری از سال ۱۹۹۸. از طریق ایمیل یا رسانه‌های اجتماعی از آخرین اخبار فناوری مطلع شوید.
فقط فکر کردن به طعم‌های دودی و مست‌کننده‌ی باربیکیو کافی است تا آب دهان اکثر مردم راه بیفتد. تابستان از راه رسیده است و برای بسیاری...