Het veelvoorkomende bodemmineraal α-ijzer(III)oxyhydroxide bleek een recyclebare katalysator te zijn voor de fotoreductie van koolstofdioxide tot mierenzuur. (Bron: Prof. Kazuhiko Maeda)
Fotoreductie van CO2 tot transporteerbare brandstoffen zoals mierenzuur (HCOOH) is een goede manier om de stijgende CO2-concentratie in de atmosfeer tegen te gaan. Om hierbij te helpen, selecteerde een onderzoeksteam van het Tokyo Institute of Technology een gemakkelijk verkrijgbaar ijzerhoudend mineraal en bracht dit aan op een aluminiumoxide-drager om een ​​katalysator te ontwikkelen die CO2 efficiënt kan omzetten in HCOOH, met een selectiviteit van ongeveer 90%!
Elektrische voertuigen zijn voor veel mensen een aantrekkelijke optie, met als belangrijkste reden dat ze geen CO2-uitstoot hebben. Een groot nadeel voor velen is echter hun beperkte actieradius en lange laadtijden. Hier bieden vloeibare brandstoffen zoals benzine een groot voordeel. Hun hoge energiedichtheid zorgt voor een grote actieradius en snel tanken.
Overstappen van benzine of diesel naar een andere vloeibare brandstof kan de CO2-uitstoot elimineren en tegelijkertijd de voordelen van vloeibare brandstoffen behouden. In een brandstofcel kan mierenzuur bijvoorbeeld een motor aandrijven, waarbij water en koolstofdioxide vrijkomen. Als mierenzuur echter wordt geproduceerd door atmosferische CO2 te reduceren tot HCOOH, is de enige netto-uitstoot water.
De stijgende concentratie koolstofdioxide in onze atmosfeer en de bijdrage daarvan aan de opwarming van de aarde zijn inmiddels algemeen bekend. Terwijl onderzoekers experimenteerden met verschillende benaderingen van het probleem, kwam er een effectieve oplossing naar voren: het omzetten van overtollige koolstofdioxide in de atmosfeer in energierijke chemicaliën.
De productie van brandstoffen zoals mierenzuur (HCOOH) door de fotoreductie van CO2 in zonlicht heeft de laatste tijd veel aandacht gekregen, omdat het proces een dubbel voordeel biedt: het vermindert de overmatige CO2-uitstoot en helpt tegelijkertijd het huidige energietekort te minimaliseren. Als uitstekende drager voor waterstof met een hoge energiedichtheid kan HCOOH energie leveren door verbranding, waarbij alleen water als bijproduct vrijkomt.
Om deze lucratieve oplossing te realiseren, hebben wetenschappers fotokatalytische systemen ontwikkeld die koolstofdioxide reduceren met behulp van zonlicht. Dit systeem bestaat uit een lichtabsorberend substraat (oftewel een fotosensibilisator) en een katalysator die de meervoudige elektronenoverdracht mogelijk maakt die nodig is voor de reductie van CO2 tot HCOOH. En zo begon de zoektocht naar geschikte en efficiënte katalysatoren!
Fotokatalytische reductie van koolstofdioxide met behulp van veelgebruikte verbindingen (infographic). Credit: Professor Kazuhiko Maeda
Vanwege hun efficiëntie en potentiële recyclebaarheid worden vaste katalysatoren beschouwd als de beste kandidaten voor deze taak. In de loop der jaren zijn de katalytische eigenschappen van veel op kobalt, mangaan, nikkel en ijzer gebaseerde metaal-organische raamwerken (MOF's) onderzocht. De laatstgenoemde heeft enkele voordelen ten opzichte van andere metalen. De meeste tot nu toe gerapporteerde ijzergebaseerde katalysatoren produceren echter alleen koolmonoxide als hoofdproduct, en geen HCOOH.
Dit probleem werd echter snel opgelost door een team van onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) onder leiding van professor Kazuhiko Maeda. In een recente studie, gepubliceerd in het chemische tijdschrift Angewandte Chemie, demonstreerde het team een ​​op aluminiumoxide (Al2O3) gedragen ijzerhoudende katalysator met behulp van α-ijzer(III)oxyhydroxide (α-FeO₂OH; goethiet). De nieuwe α-FeO₂OH/Al2O3-katalysator vertoont uitstekende prestaties op het gebied van CO₂-naar-HCOOH-conversie en is bovendien zeer goed recyclebaar. Gevraagd naar hun keuze voor de katalysator, zei professor Maeda: "We willen meer overvloedige elementen als katalysatoren in CO₂-fotoreductiesystemen onderzoeken. We hebben een vaste katalysator nodig die actief, recyclebaar, niet-toxisch en goedkoop is. Daarom hebben we voor onze experimenten gekozen voor veelvoorkomende bodemmineralen zoals goethiet."
Het team gebruikte een eenvoudige impregneringsmethode om hun katalysator te synthetiseren. Vervolgens gebruikten ze op ijzer gebaseerde Al2O3-materialen om CO2 fotokatalytisch te reduceren bij kamertemperatuur in aanwezigheid van een op ruthenium gebaseerde (Ru) fotosensibilisator, elektronendonor en zichtbaar licht met golflengten van meer dan 400 nanometer.
De resultaten zijn zeer bemoedigend. De selectiviteit van hun systeem voor het hoofdproduct HCOOH bedroeg 80-90% met een kwantumrendement van 4,3% (wat de efficiëntie van het systeem aangeeft).
Deze studie presenteert een unieke, op ijzer gebaseerde vaste katalysator die HCOOH kan genereren in combinatie met een efficiënte fotosensibilisator. Ook wordt het belang van een geschikt dragermateriaal (Al2O3) en de invloed daarvan op de fotochemische reductiereactie besproken.
Inzichten uit dit onderzoek kunnen helpen bij de ontwikkeling van nieuwe edelmetaalvrije katalysatoren voor de fotoreductie van koolstofdioxide tot andere nuttige chemicaliën. "Ons onderzoek toont aan dat de weg naar een groene energie-economie niet ingewikkeld is. Zelfs eenvoudige methoden voor de bereiding van katalysatoren kunnen uitstekende resultaten opleveren, en het is algemeen bekend dat veelvoorkomende verbindingen, indien ondersteund door verbindingen zoals aluminiumoxide, kunnen worden gebruikt als selectieve katalysator voor de reductie van CO2", concludeert prof. Maeda.
Referenties: “Alumina-Supported Alpha-Iron (III) Oxyhydroxide as a Recycleable Solid Catalyst for CO2 Photoreductie under Visible Light” door Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof .. Toshiyuki Yokoi, Prof. Shunsuke Nozawa, Prof. Kazuhiko Maeda, 12 mei 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
“Daar hebben vloeibare brandstoffen zoals benzine een groot voordeel. Hun hoge energiedichtheid betekent een grote actieradius en snel tanken.”
Laten we eens naar de cijfers kijken. Hoe verhoudt de energiedichtheid van mierenzuur zich tot die van benzine? Met slechts één koolstofatoom in de chemische formule, betwijfel ik of het ook maar in de buurt komt van benzine.
Daarnaast is de geur zeer giftig en is het, als zuur, corrosiever dan benzine. Dit zijn geen onoplosbare technische problemen, maar tenzij mierenzuur aanzienlijke voordelen biedt op het gebied van actieradius en het verkorten van de oplaadtijd van de accu, is het de moeite waarschijnlijk niet waard.
Als ze van plan waren om goethiet uit de grond te winnen, zou dat een energie-intensieve mijnbouwoperatie zijn die mogelijk schadelijk is voor het milieu.
Ze zouden wellicht veel goethiet in de grond kunnen vermelden, omdat ik vermoed dat er meer energie nodig is om de benodigde grondstoffen te verkrijgen en te laten reageren om goethiet te synthetiseren.
Het is noodzakelijk om de volledige levenscyclus van het proces te bekijken en de energiekosten van alles te berekenen. NASA heeft ontdekt dat zoiets als een gratis lancering niet bestaat. Anderen moeten dit in gedachten houden.
SciTechDaily: Dé plek voor het beste technieuws sinds 1998. Blijf op de hoogte van het laatste technieuws via e-mail of sociale media.
Alleen al de gedachte aan de rokerige en verleidelijke smaken van barbecue is genoeg om de meeste mensen het water in de mond te laten lopen. De zomer is aangebroken, en voor velen...