Víða útbreitt jarðvegssteinefni, α-járn-(III) oxýhýdroxíð, reyndist vera endurvinnanlegur hvati fyrir ljósafoxun koltvísýrings í maurasýru. Mynd: Prófessor Kazuhiko Maeda
Ljósafoxun CO2 í flytjanlegt eldsneyti eins og maurasýru (HCOOH) er góð leið til að berjast gegn hækkandi CO2 magni í andrúmsloftinu. Til að aðstoða við þetta verkefni valdi rannsóknarteymi við Tækniháskólann í Tókýó auðfáanlegt járnbundið steinefni og setti það á áloxíðgrunn til að þróa hvata sem getur á skilvirkan hátt breytt CO2 í HCOOH, um 90% sértækni!
Rafknúin ökutæki eru aðlaðandi kostur fyrir marga og ein helsta ástæðan er sú að þau losa ekki kolefni. Stór galli fyrir marga er hins vegar skortur á drægni og langur hleðslutími. Þetta er þar sem fljótandi eldsneyti eins og bensín hefur mikinn kost. Mikil orkuþéttleiki þeirra þýðir langa drægni og hraðvirka eldsneytisáfyllingu.
Að skipta úr bensíni eða dísilolíu yfir í annað fljótandi eldsneyti getur útrýmt kolefnislosun en samt sem áður viðhaldið kostum fljótandi eldsneytis. Í eldsneytisfrumu getur maurasýra til dæmis knúið vél og losað vatn og koltvísýring. Hins vegar, ef maurasýra er framleidd með því að draga úr andrúmslofts CO2 í HCOOH, þá er eina nettóframleiðslan vatn.
Hækkun á koltvísýringi í andrúmsloftinu og framlag þess til hlýnunar jarðar eru nú algengar fréttir. Þegar vísindamenn gerðu tilraunir með mismunandi aðferðir við vandamálið kom fram áhrifarík lausn - að breyta umfram koltvísýringi í andrúmsloftinu í orkurík efni.
Framleiðsla eldsneytis eins og maurasýru (HCOOH) með ljósafoxun CO2 í sólarljósi hefur vakið mikla athygli að undanförnu vegna þess að ferlið hefur tvöfaldan ávinning: það dregur úr umfram CO2 losun og hjálpar einnig til við að lágmarka orkuskortinn sem við stöndum frammi fyrir. Sem framúrskarandi burðarefni fyrir vetni með mikla orkuþéttleika getur HCOOH veitt orku með bruna en losar aðeins vatn sem aukaafurð.
Til að gera þessa arðbæru lausn að veruleika hafa vísindamenn þróað ljósvirk kerfi sem draga úr koltvísýringi með hjálp sólarljóss. Þetta kerfi samanstendur af ljósgleypandi undirlagi (þ.e. ljósnæmi) og hvata sem gerir kleift að flytja marga rafeinda sem þarf til að draga úr CO2 í HCOOH. Og þannig hófst leit að hentugum og skilvirkum hvötum!
Ljósvirk afoxun koltvísýrings með því að nota algengar efnasamsetningarupplýsingar. Mynd: Prófessor Kazuhiko Maeda
Vegna skilvirkni sinnar og mögulegrar endurvinnanleika eru fastir hvatar taldir bestir frambjóðendurnir í þetta verkefni, og í gegnum árin hefur hvatavirkni margra kóbalt-, mangan-, nikkel- og járnbundinna málm-lífrænna ramma (MOFs) verið skoðuð, þar á meðal hefur hið síðarnefnda nokkra kosti umfram aðra málma. Hins vegar framleiða flestir járnbundnir hvatar sem greint hefur verið frá hingað til aðeins kolmónoxíð sem aðalafurð, ekki HCOOH.
Hins vegar leysti teymi vísindamanna við Tækniháskólann í Tókýó (Tokyo Tech) undir forystu prófessors Kazuhiko Maeda þetta vandamál fljótt. Í nýlegri rannsókn sem birt var í efnafræðitímaritinu Angewandte Chemie sýndi teymið fram á hvata sem byggir á járni og er studd með áloxíði (Al2O3) með því að nota α-járn(III) oxýhýdroxíð (α-FeO​​​OH; jarðótít). Nýi α-FeO​​​OH/Al2O3 hvatinn sýnir framúrskarandi umbreytingargetu frá CO2 í HCOOH og framúrskarandi endurvinnanleika. Þegar prófessor Maeda var spurður um val sitt á hvata sagði hann: „Við viljum kanna algengari frumefni sem hvata í CO2 ljósafoxunarkerfum. Við þurfum fastan hvata sem er virkur, endurvinnanlegur, eiturefnalaus og ódýr. Þess vegna völdum við útbreidd jarðvegssteinefni eins og goetít fyrir tilraunir okkar.“
Teymið notaði einfalda gegndreypingaraðferð til að mynda hvata sinn. Þeir notuðu síðan járnstudd Al2O3 efni til að ljósvirkt draga úr CO2 við stofuhita í viðurvist rúteníum-bundins (Ru) ljósnæmis, rafeindagjafa og sýnilegs ljóss með bylgjulengdum yfir 400 nanómetra.
Niðurstöðurnar eru mjög hvetjandi. Sértækni kerfisins fyrir aðalafurðina HCOOH var 80–90% með skammtafræðilegri afrakstur upp á 4,3% (sem gefur til kynna skilvirkni kerfisins).
Þessi rannsókn kynnir fyrsta sinnar tegundar járnbundinn fastan hvata sem getur myndað HCOOH þegar hann er paraður við skilvirkan ljósnæmisvökva. Hún fjallar einnig um mikilvægi rétts stuðningsefnis (Al2O3) og áhrif þess á ljósefnafræðilega afoxunarviðbrögð.
Innsýn úr þessari rannsókn gæti hjálpað til við að þróa nýja eðalmálmalausa hvata til ljósafoxunar koltvísýrings í önnur gagnleg efni. „Rannsóknir okkar sýna að leiðin að grænu orkuhagkerfi er ekki flókin. Jafnvel einfaldar aðferðir við undirbúning hvata geta skilað frábærum árangri og það er vel þekkt að efnasambönd sem eru gnægð af jörðinni, ef þau eru studd af efnasamböndum eins og áloxíði, er hægt að nota sem sértækan hvata til að draga úr CO2 losun,“ segir prófessor Maeda að lokum.
Heimildir: "Súrál-studd alfa-járn (III) oxýhýdroxíð sem endurvinnanlegur fastur hvati fyrir CO2-ljósskerðingu undir sýnilegu ljósi" eftir Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof. Kazuhiko Maeda, 12. maí 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
„Þar hefur fljótandi eldsneyti eins og bensín stóran kost. Mikil orkuþéttleiki þeirra þýðir langar drægnir og hraðari eldsneytisáfyllingu.“
Hvað með nokkrar tölur? Hvernig ber orkuþéttleiki maurasýru saman við bensín? Með aðeins eitt kolefnisatóm í efnaformúlunni efast ég um að það kemst jafnvel nálægt bensíni.
Auk þess er lyktin mjög eitruð og þar sem hún er sýra er hún meira ætandi en bensín. Þetta eru ekki óleysanleg verkfræðileg vandamál, en nema maurasýra bjóði upp á verulega kosti við að auka drægni og stytta áfyllingartíma rafhlöðunnar, þá er það líklega ekki þess virði.
Ef þeir ætluðu að vinna goetít úr jarðveginum, væri það orkufrek námuvinnsla og hugsanlega skaðleg umhverfinu.
Þeir gætu nefnt mikið af goetíti í jarðveginum þar sem ég grunar að það myndi krefjast meiri orku til að fá nauðsynleg hráefni og hvarfa þau til að mynda goetít.
Það er nauðsynlegt að skoða allan líftíma ferlisins og reikna út orkukostnað alls. NASA fann ekkert sem heitir ókeypis geimskot. Aðrir þurfa að hafa þetta í huga.
SciTechDaily: Heimsíða bestu tæknifrétta frá árinu 1998. Fylgstu með nýjustu tæknifréttum í gegnum tölvupóst eða samfélagsmiðla.
Bara að hugsa um reykbragðið og ávanabindandi bragðið af grillmatnum er nóg til að láta flesta slefa af sér. Sumarið er komið og fyrir marga…