Bylo zjištěno, že široce rozšířený půdní minerál, oxyhydroxid α-železa (III), je recyklovatelným katalyzátorem pro fotoredukci oxidu uhličitého na kyselinu mravenčí. Zdroj: Prof. Kazuhiko Maeda
Fotoredukce CO2 na přepravitelná paliva, jako je kyselina mravenčí (HCOOH), je dobrým způsobem, jak bojovat proti rostoucí hladině CO2 v atmosféře. Aby si s tímto úkolem pomohl, výzkumný tým z Tokijského technologického institutu vybral snadno dostupný minerál na bázi železa a nanesl ho na nosič z oxidu hlinitého, aby vyvinul katalyzátor, který dokáže efektivně přeměnit CO2 na HCOOH s přibližně 90% selektivitou!
Elektromobily jsou pro mnoho lidí atraktivní volbou a klíčovým důvodem je, že neprodukují žádné emise uhlíku. Velkou nevýhodou pro mnohé je však jejich nízký dojezd a dlouhá doba nabíjení. Právě zde mají kapalná paliva, jako je benzín, velkou výhodu. Jejich vysoká energetická hustota znamená dlouhý dojezd a rychlé doplnění paliva.
Přechod z benzínu nebo nafty na jiné kapalné palivo může eliminovat emise uhlíku a zároveň zachovat výhody kapalných paliv. Například v palivovém článku může kyselina mravenčí pohánět motor a zároveň uvolňovat vodu a oxid uhličitý. Pokud se však kyselina mravenčí vyrábí redukcí atmosférického CO2 na HCOOH, pak je jediným čistým výstupem voda.
Rostoucí hladiny oxidu uhličitého v naší atmosféře a jejich příspěvek ke globálnímu oteplování jsou nyní běžnou zprávou. Jak vědci experimentovali s různými přístupy k problému, objevilo se účinné řešení – přeměna přebytečného oxidu uhličitého v atmosféře na energeticky bohaté chemikálie.
Výroba paliv, jako je kyselina mravenčí (HCOOH), fotoredukcí CO2 na slunečním světle v poslední době přitahuje velkou pozornost, protože tento proces má dvojí výhodu: snižuje nadměrné emise CO2 a také pomáhá minimalizovat nedostatek energie, které v současnosti čelíme. Jako vynikající nosič vodíku s vysokou hustotou energie může HCOOH poskytovat energii spalováním, přičemž jako vedlejší produkt uvolňuje pouze vodu.
Aby se toto lukrativní řešení stalo skutečností, vědci vyvinuli fotokatalytické systémy, které redukují oxid uhličitý pomocí slunečního světla. Tento systém se skládá ze substrátu absorbujícího světlo (tj. fotosenzibilizátoru) a katalyzátoru, který umožňuje vícenásobný přenos elektronů potřebný pro redukci CO2 na HCOOH. A tak začali hledat vhodné a účinné katalyzátory!
Fotokatalytická redukce oxidu uhličitého s využitím běžně používaných infografik se sloučeninami. Zdroj: Profesor Kazuhiko Maeda
Vzhledem ke své účinnosti a potenciální recyklovatelnosti jsou pevné katalyzátory považovány za nejlepší kandidáty pro tento úkol a v průběhu let byly zkoumány katalytické schopnosti mnoha kovově-organických struktur (MOF) na bázi kobaltu, manganu, niklu a železa, z nichž druhá má oproti jiným kovům určité výhody. Většina dosud publikovaných katalyzátorů na bázi železa však produkuje jako hlavní produkt pouze oxid uhelnatý, nikoli HCOOH.
Tento problém však rychle vyřešil tým výzkumníků z Tokijského technologického institutu (Tokyo Tech) pod vedením profesora Kazuhiko Maedy. V nedávné studii publikované v chemickém časopise Angewandte Chemie tým demonstroval katalyzátor na bázi železa na bázi oxidu hlinitého (Al2O3) s použitím oxyhydroxidu α-železnatého (α-FeO​​​OH; geotit). Nový katalyzátor α-FeO​​​OH/Al2O3 vykazuje vynikající výkon při přeměně CO2 na HCOOH a vynikající recyklovatelnost. Na otázku ohledně výběru katalyzátoru profesor Maeda odpověděl: „Chceme prozkoumat hojnější prvky jako katalyzátory ve fotoredukčních systémech CO2. Potřebujeme pevný katalyzátor, který je aktivní, recyklovatelný, netoxický a levný. Proto jsme pro naše experimenty zvolili široce rozšířené půdní minerály, jako je goethit.“
Tým použil k syntéze svého katalyzátoru jednoduchou impregnační metodu. Poté použil materiály Al₂O₃ nanesené na železo k fotokatalytické redukci CO₂ při pokojové teplotě v přítomnosti fotosenzibilizátoru na bázi ruthenia (Ru), donoru elektronů a viditelného světla s vlnovými délkami nad 400 nanometrů.
Výsledky jsou velmi povzbudivé. Selektivita jejich systému pro hlavní produkt HCOOH byla 80–90 % s kvantovým výtěžkem 4,3 % (což ukazuje na účinnost systému).
Tato studie představuje první pevný katalyzátor na bázi železa, který dokáže generovat HCOOH v kombinaci s účinným fotosenzibilizátorem. Zabývá se také důležitostí vhodného nosného materiálu (Al₂O₃) a jeho vlivem na fotochemickou redukční reakci.
Poznatky z tohoto výzkumu by mohly pomoci vyvinout nové katalyzátory bez ušlechtilých kovů pro fotoredukci oxidu uhličitého na další užitečné chemikálie. „Náš výzkum ukazuje, že cesta k zelené energetické ekonomice není složitá. I jednoduché metody přípravy katalyzátorů mohou přinést skvělé výsledky a je dobře známo, že sloučeniny hojně se vyskytující na Zemi, pokud jsou doplněny sloučeninami, jako je oxid hlinitý, lze použít jako selektivní katalyzátor pro redukci CO2,“ uzavírá profesor Maeda.
Reference: “Alpha-Iron (III) Oxyhydroxide podporovaný oxidem hlinitým jako recyklovatelný pevný katalyzátor pro fotoredukci CO2 ve viditelném světle” od Daehyeona An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof. Shunsshiyu, Prof. Nozawa, Prof. Kazuhiko Maeda, 12. května 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
„A právě v tom mají kapalná paliva, jako je benzín, velkou výhodu. Jejich vysoká energetická hustota znamená dlouhý dojezd a rychlé doplnění paliva.“
Co třeba nějaká čísla? Jak si energetická hustota kyseliny mravenčí stojí v porovnání s benzínem? S pouze jedním atomem uhlíku v chemickém vzorci pochybuji, že by se to vůbec přiblížilo benzínu.
Kromě toho je zápach velmi toxický a jako kyselina je korozivnější než benzín. Nejedná se o neřešitelné technické problémy, ale pokud kyselina mravenčí nenabízí významné výhody ve zvýšení dojezdu a zkrácení doby dobíjení baterie, pravděpodobně se to nevyplatí.
Pokud by plánovali těžit goethit z půdy, jednalo by se o energeticky náročnou těžbu a potenciálně by to mohlo poškodit životní prostředí.
Mohli by zmínit velké množství goethitu v půdě, protože mám podezření, že by bylo zapotřebí více energie k získání potřebných surovin a jejich reakci za účelem syntézy goethitu.
Je nutné se podívat na celý životní cyklus procesu a vypočítat energetické náklady na vše. NASA nenašla nic jako volný start. Ostatní by to měli mít na paměti.
SciTechDaily: Domov nejlepších technologických zpráv od roku 1998. Sledujte nejnovější technologické zprávy prostřednictvím e-mailu nebo sociálních médií.
Už jen pomyšlení na kouřovou a omamnou chuť grilování stačí k tomu, aby se většině lidí sbíhaly sliny. Léto je tady a pro mnoho lidí…