Pētnieki Toronto Universitātes Inženierzinātņu katedrā ir izstrādājuši jaunu katalizatoru, kas efektīvi pārvērš uztverto oglekli vērtīgos produktos, piemēram, etilēnā un etanolā, pat sēra oksīda piesārņotāju klātbūtnē. Atklājums piedāvā ekonomiski izdevīgāku veidu, kā uztvert un optimizēt oglekli, potenciāli mainot tādas nozares kā tērauda un cementa ražošana, ļaujot tām efektīvāk novirzīt oglekļa dioksīdu no atkritumu plūsmām.
Elektroķīmiskais katalizators oglekļa dioksīda pārvēršanai vērtīgos produktos var cīnīties ar piemaisījumiem, kas saindē esošās versijas.
Jauns katalizators veicina uztvertā oglekļa pārvēršanu komerciālos produktos, saglabājot augstu efektivitāti, neskatoties uz sēra oksīda piemaisījumiem. Šis jauninājums varētu ievērojami samazināt izmaksas un enerģijas prasības oglekļa uztveršanas tehnoloģijās, ietekmējot smago rūpniecību.
Toronto Universitātes Inženierzinātņu departamenta pētnieki ir veiksmīgi izveidojuši jaunu katalizatoru, kas efektīvi pārvērš uztverto oglekli vērtīgos produktos – pat piesārņojuma klātbūtnē, kas pasliktina esošo versiju veiktspēju.
Šis atklājums ir svarīgs solis ceļā uz ekonomiski dzīvotspējīgākām oglekļa uztveršanas un uzglabāšanas tehnoloģijām, kuras var pievienot esošajiem rūpnieciskajiem procesiem.
Oglekļa konversijas tehnoloģiju attīstība
saka profesors Deivids Sintons (MIE), žurnālā publicētā raksta vadošais autors Dabas enerģija 4. jūlijā, kas apraksta jauno katalizatoru.
“Taču ir arī citas ekonomikas nozares, kuras būs grūti dekarbonizēt: piemēram, tērauda un cementa ražošana, lai palīdzētu šīm nozarēm, mums ir jārod jauninājumi, kas ir rentabli oglekļa uztveršanai un uzlabošanai atkritumu plūsmās.”
Toronto Universitātes inženierzinātņu doktorantiem Rojs Kai (Rejs) Miao (pa kreisi) un Panos Papangelakis (pa labi) tur jaunu katalizatoru, kas ir izstrādāts, lai pārvērstu uztverto oglekļa dioksīdu vērtīgos produktos. Viņu modelis darbojas labi pat sēra dioksīda klātbūtnē – piesārņotāju, kas saindē citus katalizatorus. Attēla kredīts: Tailers Ērvings / Toronto Inženierzinātņu universitāte
Elektrolīzera izmantošana oglekļa pārveidē
Sintons un viņa komanda izmanto ierīces, kas pazīstamas kā elektrolizatori, lai pārvērstu oglekļa dioksīdu un elektroenerģiju tādos produktos kā etilēns un etanols. Šīs oglekļa bāzes molekulas var pārdot kā degvielu vai izmantot kā ķīmiskas izejvielas ikdienas priekšmetu, piemēram, plastmasas, ražošanai.
Elektrolizatora iekšpusē notiek konversijas reakcija, kad uz cieta katalizatora virsmas apvienojas trīs elementi – oglekļa dioksīda gāze, elektroni un šķidrs elektrolīts uz ūdens bāzes.
Katalizators bieži ir izgatavots no vara, bet var saturēt arī citus metālus vai organiskus savienojumus, kas var vēl vairāk uzlabot sistēmu. Tās funkcija ir paātrināt reakciju un samazināt nevēlamu blakusproduktu, piemēram, ūdeņraža gāzes veidošanos, kas samazina kopējo procesa efektivitāti.
Katalizatora efektivitātes problēmu risināšana
Lai gan daudzām pētnieku grupām visā pasaulē ir izdevies ražot augstas veiktspējas katalizatorus, gandrīz visi no tiem ir paredzēti darbam ar tīru oglekļa dioksīdu. Bet, ja attiecīgais ogleklis nāk no dūmu skursteņiem, šajā procesā iegūtais ogleklis, visticamāk, nebūt nav tīrs.
“Katalizatoru dizaineriem parasti nepatīk nodarboties ar piemaisījumiem, un tas ir pamatota iemesla dēļ,” saka Panos Papangelakis, mašīnbūves doktorants un viens no pieciem jaunā dokumenta līdzautoriem.
“Sēra oksīdi, piemēram, sēra dioksīds, saindē katalizatoru, saistoties ar virsmu. Tas atstāj mazāk vietu oglekļa dioksīdam reaģēšanai, kā arī rada ķīmiskas vielas, kuras jūs nevēlaties.”
“Tas notiek ļoti ātri: lai gan daži katalizatori var darboties simtiem stundu ar tīru barību, ja jūs ievadāt šos piemaisījumus, to efektivitāte dažu minūšu laikā var samazināties līdz 5%.
Lai gan ir vispāratzītas metodes piemaisījumu noņemšanai no CO2 bagātām izplūdes gāzēm pirms to ievadīšanas elektrolizatorā, šīs metodes ir laikietilpīgas, energoietilpīgas un dārgas, lai uztvertu un uzlabotu oglekļa uztveršanu. Turklāt sēra dioksīda gadījumā pat nedaudz var būt liela problēma.
“Pat ja jūs samazināt izplūdes gāzes līdz mazāk nekā 10 daļām uz miljonu jeb 0,001% no barības, katalizators joprojām var saindēties mazāk nekā divu stundu laikā,” saka Papangelakis.
Inovācijas katalizatora dizainā
Šajā rakstā komanda apraksta, kā viņi izstrādāja elastīgāku katalizatoru, kas spēj izturēt sēra dioksīdu, veicot divas galvenās izmaiņas tipiskā vara bāzes katalizatorā.
Vienā pusē tie pievienoja plānu politetrafluoretilēna slāni, kas pazīstams arī kā teflons. Šis nepiedegošais materiāls maina ķīmisko sastāvu uz katalizatora virsmas, kavējot reakcijas, kas ļauj saindēties ar sēra dioksīdu.
No otras puses, viņi pievienoja Nafion slāni, elektriski vadošu polimēru, ko parasti izmanto kurināmā elementos. Šajā sarežģītajā, porainajā materiālā ir dažas zonas, kas ir hidrofilas, kas nozīmē, ka tās piesaista ūdeni, kā arī citas zonas, kas ir hidrofobas, kas nozīmē, ka tās to atgrūž. Šī struktūra apgrūtina sēra dioksīda nokļūšanu uz katalizatora virsmas.
Veiktspēja nelabvēlīgos apstākļos
Pēc tam komanda baroja šo katalizatoru ar oglekļa dioksīda un sēra dioksīda maisījumu, pēdējā koncentrācija ir aptuveni 400 daļas uz miljonu, kas ir tipiska rūpniecisko atkritumu plūsma. Pat šajos sarežģītajos apstākļos jaunais katalizators darbojās labi.
“Šajā pētījumā mēs ziņojām par Faradeja efektivitāti – elektronu skaita mērījumu, kas nonāca vajadzīgajos produktos – 50%, ko mēs varējām uzturēt 150 stundas,” saka Papangelakis.
“Ir daži katalizatori, kas varētu sākt ar lielāku efektivitāti, varbūt 75% vai 80%. Bet atkal, ja esat pakļauts sēra dioksīda iedarbībai, dažu minūšu laikā vai ilgākais dažu stundu laikā šī efektivitāte samazinās līdz gandrīz nullei. esmu spējis ar to cīnīties.”
Nākotnes tendences un sekas
Papangelakis saka, ka viņa komandas pieeja neietekmē paša katalizatora sastāvu, tāpēc tā būtu jāpiemēro plaši. Citiem vārdiem sakot, komandām, kuras jau ir apguvušas augstas veiktspējas katalizatorus, vajadzētu būt iespējai izmantot līdzīgus pārklājumus, lai nodrošinātu to izturību pret sēra oksīda saindēšanos.
Lai gan sēra oksīdi ir vissarežģītākais piemaisījums tipiskajās atkritumu plūsmās, tie nav vienīgie piemaisījumi, jo komanda pēc tam pievēršas visam ķīmisko piesārņotāju klāstam.
“Ir daudz citu piemaisījumu, kas jāņem vērā, piemēram, slāpekļa oksīdi, skābeklis utt.,” saka Papangelakis.
“Bet tas, ka šī pieeja ļoti labi darbojas ar sēra oksīdiem, pirms šī darba tika uzskatīts par pašsaprotamu, ka pirms oglekļa dioksīda uzlabošanas ir jānoņem piemaisījumi tikt galā ar to, kas paver daudz jaunu iespēju.
Atsauce: Panagiotis Papangelakis, Rui Kai Miao, Ruihu Lu, Hanqi Liu, Shi Wang, Adnan Ozden, Shijie O Liu, Colin Bing, “CO2 samazināšanas elektrokatalizatoru SO2 tolerances uzlabošana, izmantojot polimēru/katalizatoru/jonomēru heterosavienojuma dizainu”. 'Braiens, Yongfeng Hu, Mohsens Šakouri, Cjinfens Sjao, Mingša Li, Behrūzs Khaters, Dzjana Ēriks Huans, Jakuns Vans, Ju-Selins Sjao, Fen Li, Ali Šaiste Zarate, Cjans Džans, Pingju Liu, Kevins Golovins un Džins Vei Hao , Hundzjana Liana, Sjun Vana, Džūns Li, Edvards H. Sargents un Deivids Sintons, 2024. gada 4. jūlijs, Dabas enerģija.
DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9
