Каталізатор, який неможливо зупинити, перевершує сірку, щоб зробити революцію в уловлюванні вуглецю

Каталізатор, який неможливо зупинити, перевершує сірку, щоб зробити революцію в уловлюванні вуглецю

Дослідники з інженерного факультету Університету Торонто розробили новий каталізатор, який ефективно перетворює вловлений вуглець у цінні продукти, такі як етилен і етанол, навіть у присутності забруднюючих речовин оксиду сірки. Відкриття пропонує більш економічно життєздатний спосіб уловлювання та оптимізації вуглецю, потенційно революціонізуючи такі галузі, як виробництво сталі та цементу, дозволяючи їм більш ефективно відводити вуглекислий газ із потоків відходів.

Електрохімічний каталізатор для перетворення вуглекислого газу в цінні продукти може боротися з домішками, які отруюють існуючі версії.

Новий каталізатор прискорює перетворення вловленого вуглецю в комерційні продукти, зберігаючи високу ефективність, незважаючи на домішки оксиду сірки. Ця інновація може значно знизити витрати та потреби в енергії для технологій уловлювання вуглецю, впливаючи на важку промисловість.

Дослідники з інженерного факультету Університету Торонто успішно створили новий каталізатор, який ефективно перетворює вловлений вуглець у цінні продукти – навіть у присутності забруднювача, який погіршує продуктивність існуючих версій.

Це відкриття є важливим кроком до більш економічно життєздатних технологій уловлювання та зберігання вуглецю, які можна додати до існуючих промислових процесів.

Розвиток технологій перетворення вуглецю

каже професор Девід Сінтон (МІЕ), провідний автор статті, опублікованої в журналі Енергія природи 4 липня, де описується новий каталізатор.

«Але є й інші сектори економіки, які буде важко декарбонізувати: наприклад, виробництво сталі та цементу. Щоб допомогти цим галузям, нам потрібно розробити економічно ефективні способи уловлювання та підвищення масштабу вуглецю у потоках відходів».

Новий каталізатор для перетворення вловленого вуглекислого газу в цінні продукти

Докторанти інженерних наук Університету Торонто Рой Кай (Рей) Мяо (ліворуч) і Панос Папангелакіс (праворуч) тримають новий каталізатор, розроблений ними для перетворення вловленого вуглекислого газу в цінні продукти. Їхня модель добре працює навіть у присутності діоксиду сірки, забруднювача, який отруює інші каталізатори. Кредит зображення: Тайлер Ірвінг/Інженерний університет Торонто

Використання електролізера в перетворенні вуглецю

Сінтон і його команда використовують пристрої, відомі як електролізери, для перетворення вуглекислого газу та електроенергії в такі продукти, як етилен і етанол. Ці вуглецеві молекули можна продавати як паливо або використовувати як хімічну сировину для виготовлення повсякденних предметів, таких як пластик.

READ  Дослідження: люди, собаки та кажани, можливо, співіснували з динозаврами

Всередині електролізера відбувається реакція перетворення, коли три елементи — вуглекислий газ, електрони та рідкий електроліт на водній основі — з’єднуються на поверхні твердого каталізатора.

Каталізатор часто виготовляється з міді, але може також містити інші метали або органічні сполуки, які можуть ще більше покращити систему. Його функція полягає в прискоренні реакції та зменшенні утворення небажаних побічних продуктів, таких як газоподібний водень, який знижує загальну ефективність процесу.

Вирішення проблем ефективності каталізатора

Хоча багатьом дослідницьким групам у всьому світі вдалося створити високоефективні каталізатори, майже всі вони розроблені для роботи з чистим вуглекислим газом. Але якщо вуглець, про який йде мова, надходить із димових труб, вуглець, який утворюється в результаті цього процесу, ймовірно, буде далеко не чистим.

«Розробники каталізаторів зазвичай не люблять мати справу з домішками, і це з поважних причин», — каже Панос Папангелакіс, докторант з машинобудування та один із п’яти співавторів нової статті.

«Оксиди сірки, такі як діоксид сірки, отруюють каталізатор, зв’язуючись з поверхнею. Це залишає менше місць для реакції вуглекислого газу, а також створює хімічні речовини, які вам не потрібні».

«Це відбувається дуже швидко: хоча деякі каталізатори можуть працювати сотні годин на чистому живленні, якщо додати ці домішки, їх ефективність може впасти до 5% за лічені хвилини».

Хоча існують добре налагоджені методи видалення домішок із вихлопних газів, багатих на CO2, перед подачею їх у електролізер, ці методи є трудомісткими, енергоємними та дорогими для уловлювання та оптимізації вуглецю. Крім того, у випадку з діоксидом сірки навіть незначна кількість може бути великою проблемою.

«Навіть якщо ви зменшите кількість вихлопних газів до рівня менш ніж 10 частин на мільйон, або 0,001% вихідної сировини, каталізатор все одно може отруїтися менш ніж за дві години», — каже Папангелакіс.

READ  Ось скільки NASA платить, щоб залишатися замкненим у симуляторі Марса протягом року

Інновації в конструкції каталізатора

У цій статті команда описує, як вони розробили більш гнучкий каталізатор, здатний протистояти діоксиду сірки, зробивши дві ключові зміни в типовому каталізаторі на основі міді.

З одного боку вони додали тонкий шар політетрафторетилену, також відомого як тефлон. Цей нелипкий матеріал змінює хімічний склад на поверхні каталізатора, пригнічуючи реакції, що призводять до отруєння діоксидом сірки.

З іншого боку, вони додали шар нафіону, електропровідного полімеру, який зазвичай використовується в паливних елементах. Цей складний пористий матеріал містить деякі ділянки, які є гідрофільними, тобто вони притягують воду, а також інші ділянки, які є гідрофобними, тобто вони відштовхують її. Така структура ускладнює доступ діоксиду сірки до поверхні каталізатора.

Продуктивність за несприятливих умов

Потім команда заповнила цей каталізатор сумішшю вуглекислого газу та діоксиду сірки, концентрація останнього становила приблизно 400 частин на мільйон, що відповідає типовому потоку промислових відходів. Навіть у цих важких умовах новий каталізатор показав себе добре.

«У цьому дослідженні ми повідомили про ефективність Фарадея — міру кількості електронів, які потрапили в бажані продукти — на рівні 50%, яку ми змогли підтримувати протягом 150 годин», — говорить Папангелакіс.

«Існують деякі каталізатори, які можуть почати працювати з вищою ефективністю, можливо, 75% або 80%. Але знову ж таки, якщо ви піддаєтеся дії діоксиду сірки протягом хвилин або максимум кількох годин, ця ефективність падає майже до нуля. Ми я міг з цим боротися”.

Майбутні тенденції та наслідки

Папангелакіс каже, що підхід його команди не впливає на склад самого каталізатора, і тому його слід широко застосовувати. Іншими словами, команди, які вже освоїли високоефективні каталізатори, повинні мати можливість використовувати подібні покриття, щоб забезпечити їм стійкість до отруєння оксидом сірки.

READ  Величезний вогненний шар, що пролітає над Північною Кароліною зі швидкістю 32 000 миль / год, знятий на відео

Хоча оксиди сірки є найскладнішою домішкою в типових потоках відходів, вони не єдині домішки, оскільки далі команда звертається до повного спектру хімічних забруднень.

«Є багато інших домішок, які слід брати до уваги, наприклад оксиди азоту, кисень тощо», — говорить Папангелакіс.

Але той факт, що цей підхід дуже добре працює з оксидами сірки, є дуже перспективним щоб впоратися з нею, що відкриває багато нових можливостей».

Довідка: «Покращення стійкості до SO2 для електрокаталізаторів зменшення CO2 за допомогою дизайну гетеропереходу полімер/каталізатор/іономер» Панайотіс Папангелакіс, Руй Кай Мяо, Руйху Лу, ​​Ханькі Лю, Ши Ван, Аднан Озден, Шицзе Лю та Нін Сун, Колін Б.О. Браєн, Юнфен Ху, Мохсен Шакурі, Цінфен Сяо, Мінша Лі, Бехруз Хатер, Цзяньань Ерік Хуанг, Якун Ван, Ю-Селін Сяо, Фен Лі, Алі Шайстех Зарате, Цян Чжан, Пін’ю Лю, Кевін Головін та Цзінь -Ї Хао, Хунцзянь Лян, Сіюнь Ван, Джун Лі, Едвард Х. Сарджент і Девід Сінтон, 4 липня 2024 р. Енергія природи.
DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9

You May Also Like

About the Author: Monica Higgins

"Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер"

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *