Un combo catalítico convierte el CO2 en nanofibras de carbono sólidas
por redactores de BNL News
Upton Nueva York (SPX) 12 de enero de 2024
Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de Columbia han desarrollado una manera de convertir el dióxido de carbono (CO2), un potente gas de efecto invernadero, en nanofibras de carbono, materiales con una amplia gama de propiedades únicas y muchos potenciales de larga duración. usos del término. Su estrategia utiliza reacciones electroquímicas y termoquímicas en tándem que se ejecutan a temperaturas y presión ambiental relativamente bajas. Como describen los científicos en la revista Nature Catalysis, este enfoque podría bloquear con éxito el carbono en una forma sólida útil para compensar o incluso lograr emisiones de carbono negativas.
"Se pueden poner nanofibras de carbono en el cemento para fortalecerlo", dijo Jingguang Chen, profesor de ingeniería química en Columbia con un nombramiento conjunto en Brookhaven Lab y quien dirigió la investigación. “Eso encerraría el carbono en el hormigón durante al menos 50 años, potencialmente más. Para entonces, el mundo debería pasar a utilizar principalmente fuentes de energía renovables que no emitan carbono”.
Como beneficio adicional, el proceso también produce gas hidrógeno (H2), un combustible alternativo prometedor que, cuando se utiliza, genera cero emisiones.
Capturar o convertir carbono
La idea de capturar CO2 o convertirlo en otros materiales para combatir el cambio climático no es nueva. Pero el simple hecho de almacenar gas CO2 puede provocar fugas. Y muchas conversiones de CO2 producen productos químicos o combustibles a base de carbono que se utilizan de inmediato, lo que libera CO2 de nuevo a la atmósfera.
"La novedad de este trabajo es que estamos tratando de convertir el CO2 en algo que tenga valor agregado pero en una forma sólida y útil", dijo Chen.
Estos materiales de carbono sólido, incluidos los nanotubos y nanofibras de carbono con dimensiones que miden milmillonésimas de metro, tienen muchas propiedades atractivas, incluidas la resistencia y la conductividad térmica y eléctrica. Pero no es sencillo extraer carbono del dióxido de carbono y lograr que se una en estas estructuras de escala fina. Un proceso directo impulsado por calor requiere temperaturas superiores a los 1,000 grados Celsius.
"Es muy poco realista para la mitigación de CO2 a gran escala", dijo Chen. "Por el contrario, encontramos un proceso que puede ocurrir a unos 400 grados Celsius, que es una temperatura mucho más práctica y alcanzable industrialmente".
El tándem de dos pasos
El truco consistió en dividir la reacción en etapas y utilizar dos tipos diferentes de catalizadores: materiales que facilitan que las moléculas se unan y reaccionen.
"Si se desacopla la reacción en varios pasos de subreacción, se puede considerar el uso de diferentes tipos de entrada de energía y catalizadores para que cada parte de la reacción funcione", dijo el científico investigador de Brookhaven Lab y Columbia, Zhenhua Xie, autor principal del artículo.
Los científicos empezaron por darse cuenta de que el monóxido de carbono (CO) es un material de partida mucho mejor que el CO2 para fabricar nanofibras de carbono (CNF). Luego retrocedieron para encontrar la forma más eficiente de generar CO a partir de CO2.
Un trabajo anterior de su grupo los llevó a utilizar un electrocatalizador disponible comercialmente hecho de paladio soportado sobre carbono. Los electrocatalizadores impulsan reacciones químicas mediante una corriente eléctrica. En presencia de electrones y protones que fluyen, el catalizador divide tanto el CO2 como el agua (H2O) en CO y H2.
Para el segundo paso, los científicos recurrieron a un termocatalizador activado por calor hecho de una aleación de hierro y cobalto. Funciona a temperaturas de alrededor de 400 grados Celsius, significativamente más suaves que las que requeriría una conversión directa de CO2 a CNF. También descubrieron que agregar un poco de cobalto metálico adicional mejora enormemente la formación de nanofibras de carbono.
"Al combinar la electrocatálisis y la termocatálisis, estamos utilizando este proceso en tándem para lograr cosas que no se pueden lograr con ninguno de los dos procesos por separado", dijo Chen.
Caracterización del catalizador
Para descubrir los detalles de cómo funcionan estos catalizadores, los científicos llevaron a cabo una amplia gama de experimentos. Estos incluyeron estudios de modelado computacional, estudios de caracterización física y química en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II) del Brookhaven Lab, utilizando las líneas de luz de Absorción y Dispersión Rápida de Rayos X (QAS) y Espectroscopía de la Capa Interna (ISS), e imágenes microscópicas. en las instalaciones de Microscopía Electrónica del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) del Laboratorio.
En el frente del modelado, los científicos utilizaron cálculos de la “teoría funcional de la densidad” (DFT) para analizar las disposiciones atómicas y otras características de los catalizadores cuando interactúan con el entorno químico activo.
"Estamos analizando las estructuras para determinar cuáles son las fases estables del catalizador en condiciones de reacción", explicó el coautor del estudio, Ping Liu, de la División de Química de Brookhaven, quien dirigió estos cálculos. “Estamos analizando los sitios activos y cómo estos sitios se unen con los intermedios de la reacción. Al determinar las barreras o estados de transición de un paso a otro, aprendemos exactamente cómo funciona el catalizador durante la reacción”.
Los experimentos de difracción y absorción de rayos X en NSLS-II rastrearon cómo los catalizadores cambian física y químicamente durante las reacciones. Por ejemplo, los rayos X de sincrotrón revelaron cómo la presencia de corriente eléctrica transforma el paladio metálico del catalizador en hidruro de paladio, un metal clave para producir H2 y CO en la primera etapa de reacción.
Para la segunda etapa, "queríamos saber cuál es la estructura del sistema hierro-cobalto en condiciones de reacción y cómo optimizar el catalizador de hierro-cobalto", dijo Xie. Los experimentos de rayos X confirmaron que tanto una aleación de hierro y cobalto como algo de cobalto metálico adicional están presentes y son necesarios para convertir el CO en nanofibras de carbono.
"Los dos trabajan juntos de forma secuencial", dijo Liu, cuyos cálculos de DFT ayudaron a explicar el proceso.
“Según nuestro estudio, los sitios de cobalto y hierro en la aleación ayudan a romper los enlaces CO del monóxido de carbono. Eso hace que el carbono atómico esté disponible para servir como fuente para construir nanofibras de carbono. Entonces el cobalto extra está ahí para facilitar la formación de los enlaces C-C que unen los átomos de carbono”, explicó.
Listo para reciclar, carbono negativo
"El análisis de microscopía electrónica de transmisión (TEM) realizado en CFN reveló las morfologías, estructuras cristalinas y distribuciones elementales dentro de las nanofibras de carbono con y sin catalizadores", dijo el científico de CFN y coautor del estudio, Sooyeon Hwang.
Las imágenes muestran que, a medida que crecen las nanofibras de carbono, el catalizador es empujado hacia arriba y lejos de la superficie. Eso facilita el reciclaje del metal catalítico, dijo Chen.
"Usamos ácido para lixiviar el metal sin destruir la nanofibra de carbono, de modo que podamos concentrar los metales y reciclarlos para usarlos nuevamente como catalizador", dijo.
Esta facilidad de reciclaje de catalizadores, la disponibilidad comercial de los catalizadores y las condiciones de reacción relativamente suaves para la segunda reacción contribuyen a una evaluación favorable de la energía y otros costos asociados con el proceso, dijeron los investigadores.
"Para aplicaciones prácticas, ambos son realmente importantes: el análisis de la huella de CO2 y la reciclabilidad del catalizador", dijo Chen. "Nuestros resultados técnicos y estos otros análisis muestran que esta estrategia en tándem abre una puerta para descarbonizar el CO2 en valiosos productos de carbono sólido y al mismo tiempo producir H2 renovable".
Si estos procesos son impulsados por energía renovable, los resultados serían verdaderamente negativos en carbono, lo que abriría nuevas oportunidades para la mitigación del CO2.
Informe de investigación:Fijación de CO2 en nanofibras de carbono mediante catálisis en tándem electroquímica-termoquímica
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- Fuente: https://www.spacedaily.com/reports/Catalytic_combo_converts_CO2_to_solid_carbon_nanofibers_999.html
