מחקר של אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין פיתח זרזים של ננו-חלקיקי β-Mo2C על תמיכת SiO2 כדי לשפר את ההמרה של CO2 ל-CO. זרז חדש זה, חסכוני יותר מזרזי מתכות יקרות מסורתיות, הוכיח פעילות קטליטית מוגברת משמעותית. יציבות, מסמן התקדמות מבטיחה באסטרטגיות הפחתת CO2.
פחמן דו חמצני (CO2), גז חממה, ממלא תפקיד משמעותי בשינויי האקלים על ידי הצטברות באטמוספירה. כדי למתן את השפעתו, שינוי CO2 לתוך מוצרי פחמן מועילים היא אסטרטגיה בת קיימא. מחקר שנערך לאחרונה חקר גישה זו באמצעות ננו-חלקיקים של מוליבדן קרביד פאזה בטא (β-Mo2C) כזרזים, המעוגנים על דו תחמוצת הסיליקון (SiO2) תומך. שיטה זו מאיצה את ההמרה של CO2 לפחמן חד חמצני (CO), גז יקר ערך שניתן להשתמש בו לייצור תרכובות חשובות אחרות.
שיתוף2 היא מולקולה יציבה מאוד, מה שהופך את ההמרה של גז החממה למולקולות אחרות למאתגרת. ניתן להשתמש בזרזים בתגובות כימיות להורדת כמות האנרגיה הדרושה ליצירת או לשבור קשרים כימיים, והם משמשים בתגובת גז משמרת מים הפוכה (RWGS) להמרת CO2 וגז מימן (H2) לתוך CO ומים (H2O). חשוב לציין, גז ה-CO המופק מהתגובה נקרא סינגז, או גז סינתזה, בשילוב עם H2 ויכול לשמש כמקור פחמן ליצירת תרכובות חשובות אחרות.
התקדמות בטכנולוגיית Catalyst
זרזים מסורתיים בתגובת RWGS עשויים ממתכות יקרות, כולל פלטינה (Pt), פלדיום (Pd) וזהב (Au), מה שמגביל את יעילות התגובה. בגלל זה, חומרי זרז חדשים ושיטות היווצרות מפותחים כדי להגביר את המעשיות של תגובת RWGS כאמצעי להורדת CO אטמוספרי2 ויצירת גז סינת.
על מנת לטפל בבעיות העלות של זרזי RWGS מסורתיים, צוות חוקרים מאוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין חקר את ההיווצרות והפעילות הקטליטית של ננו-חלקיקים זולים יותר β-Mo2זרזי C על SiO2 תמיכה כדי לקבוע אם הזרז בעלות נמוכה יותר יכול לשפר את רמות הפעילות של β-Mo2C עם תומך תחמוצת סיליקה בתגובת RWGS.
התמונה משמאל מתארת חלקיקי ננו β-Mo2C הנתמכים על SiO2 (β-Mo2C/SiO2). הגרף בצד ימין מייצג את הפעילות הקטליטית המוגברת של β-Mo2C/SiO2 בקצב ייצור CO בתגובת RWGS בהשוואה ל-β-Mo2C בתפזורת, המיוצג על ידי הפס השחור. כל סרגל מייצג אחוז שונה ממשקל טעינת Mo2C בהתבסס על המסה של תומך SiO2. פעילות קטליטית עבור נתונים אלה נמדדה ב-400 מעלות צלזיוס. קרדיט: Carbon Future, הוצאת אוניברסיטת Tsinghua
הצוות פרסם את המחקר שלהם ב עתיד פחמן ב-30 באפריל.
"החברה צועדת לעבר כלכלה ניטרלית פחמן. פחמן דו חמצני הוא גז חממה, ולכן כל טכנולוגיה שיכולה לפרק את קשר הפחמן-תחמוצת במולקולה הזו ולהפוך פחמן לכימיקל בעל ערך מוסף יכולה לעורר עניין רב. כימיקל C1 חשוב אחד הוא פחמן חד חמצני, שהוא חומר חומר חיוני לייצור מגוון מוצרים, כגון דלקים סינתטיים וויטמין A", אמר הונג יאנג, פרופסור יו"ר אלקיר במחלקה להנדסה כימית וביו-מולקולרית באוניברסיטת אילינוי. אורבנה-שמפיין ומחבר בכיר של העיתון.
מבנה זרז ויעילות
באופן ספציפי, החוקרים סינתזו את β-Mo2זרזים של ננו-חלקיקים נספגים על גבי SiO2 תמיכה (β-Mo2C/SiO2). המבנה האמורפי של ה- SiO2 התמיכה הייתה קריטית ליצירת ננו-חלקיקים, פעילות ויציבות של β-Mo2C/SiO2 זָרָז. הצוות בדק בנוסף צזיום (Ce), מגנזיום (Mg), טיטניום (Ti) ואלומיניום (Al) תחמוצות כתומכים פוטנציאליים, אך הזרז על SiO2 יצר את תצורת הזרז הטובה ביותר בטמפרטורה של 650 מעלות צלזיוס.
"נראה שהאופי המבולבל של הסיליקה האמורפית, שמתנהג כמו דבק לננו-חלקיקים זרזים, הוא גורם מפתח להצלחתנו בהשגת עומס מתכות גבוה והפעילות הגבוהה המקבילה", אמר סיינג יו, סטודנט לתואר שני במחלקה לכימיה ולכימיה. הנדסה ביו-מולקולרית באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין ומחבר שותף של המאמר.
חשוב לציין, ה-SiO2 מבנה תמיכת זרז משפר את הפעילות הקטליטית של β-Mo2C פי 8 בהשוואה ל- β-Mo בתפזורת2ג. אפילו עם פעילות קטליטית משופרת, ה- β-Mo2C/SiO2 זרז הפגין המרה גבוהה של CO ויציבות מוגברת בהשוואה ל-β-Mo בתפזורת2C בתגובות RWGS.
"תגלית מרכזית בעבודתנו היא תהליך חדש לייצור זרזים בעלי עומס מתכות גבוה העשויים מננו-חלקיקים מוליבדן קרביד. זרזי מתכת קרביד כאלה פותחו להמרת פחמן דו חמצני לפחמן תחמוצת בקצב ייצור וסלקטיביות גבוהים", אמר אנדרו קון, סטודנט לתואר שני לשעבר במחלקה להנדסה כימית וביו-מולקולרית באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין והמחבר הראשון של הספר עיתון.
החוקרים ביצעו את המחקר שלהם בתנאי תגובה שהעדיפו המרה לגז CO, עם H2:שיתוף2 יחס שווה ל-1:1. יחס זה שונה מהיחס הנבדק הנפוץ יותר של פחות מ-3:1. תגובות בוצעו גם בטמפרטורות שבין 300 ל-600 מעלות צלזיוס. בתנאים אלה, הצוות ייצר CO מרוכז יותר, שהוא יעיל יותר לסינתזה של תרכובות במורד הזרם.
הצוות רואה במחקר זה נקודת השקה עבור זרזים אחרים הממנפים מבני תמיכה כדי להגביר את הפעילות. "היכולת שלנו לסנתז ננו-חומרי מתכת קרביד טהורים בשלב בעומס גבוה פותחת את הדלת לפיתוח זרזים חדשים לתהליך של CO2 ניצול," אמר יאנג. "אני מקווה שבאמצעות מחקר מעמיק של יחסי סינתזה-מבנה-נכס של זרז זה נוכל בקרוב לחשוף יישומים חשובים חדשים להמרת ערך מוסף של CO2 ופיתוח בר-קיימא של הכלכלה שלנו".
תורמים נוספים כוללים את רייצ'ל פארק, די גאו וצ'נג ג'אנג מהמחלקה להנדסה כימית וביו-מולקולרית באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין באורבנה, אילינוי; ו-Yuanhui Zhang מהמחלקה להנדסה חקלאית וביולוגית באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין.
מחקר זה נתמך על ידי קרן הסטארט-אפ של אוניברסיטת אילינוי, Urbana-Champaign.
