מינרל קרקעי, α-ברזל-(III) אוקסיהידרוקסיד, הנמצא בתפוצה נרחבת, נמצא כזרז הניתן למחזור לצורך פוטו-רדוקציה של פחמן דו-חמצני לחומצה פורמית. קרדיט: פרופ' קזוהיקו מאדה
פוטו-רדוקציה של CO2 לדלקים ניידים כמו חומצה פורמית (HCOOH) היא דרך טובה להילחם בעליית רמות ה-CO2 באטמוספירה. כדי לסייע במשימה זו, צוות מחקר במכון הטכנולוגי של טוקיו בחר מינרל מבוסס ברזל זמין בקלות והעמיס אותו על גבי תומך אלומינה כדי לפתח זרז שיכול להמיר ביעילות CO2 ל-HCOOH, עם סלקטיביות של כ-90%!
כלי רכב חשמליים הם אופציה אטרקטיבית עבור אנשים רבים, וסיבה מרכזית לכך היא שאין להם פליטות פחמן. עם זאת, חיסרון גדול עבור רבים הוא חוסר טווח הנסיעה שלהם וזמני טעינה ארוכים. כאן לדלקים נוזליים כמו בנזין יש יתרון גדול. צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם פירושה טווחי נסיעה ארוכים ותדלוק מהיר.
מעבר מבנזין או סולר לדלק נוזלי אחר יכול למנוע פליטות פחמן תוך שמירה על היתרונות של דלקים נוזליים. בתא דלק, לדוגמה, חומצה פורמית יכולה להפעיל מנוע תוך שחרור מים ופחמן דו-חמצני. עם זאת, אם חומצה פורמית מיוצרת על ידי הפחתת CO2 אטמוספרי ל-HCOOH, אז התפוקה נטו היחידה היא מים.
עליית רמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה שלנו ותרומתן להתחממות הגלובלית הן כעת חדשות נפוצות. ככל שחוקרים התנסו בגישות שונות לבעיה, צץ פתרון יעיל - הפיכת עודפי פחמן דו-חמצני באטמוספירה לכימיקלים עשירים באנרגיה.
ייצור דלקים כמו חומצה פורמית (HCOOH) על ידי פוטו-רדוקציה של CO2 באור שמש משך תשומת לב רבה לאחרונה משום שלתהליך יש יתרון כפול: הוא מפחית פליטות CO2 עודפות וגם מסייע למזער את המחסור באנרגיה שאנו מתמודדים איתו כיום. כנשא מצוין למימן בעל צפיפות אנרגיה גבוהה, HCOOH יכול לספק אנרגיה באמצעות בעירה תוך שחרור מים בלבד כתוצר לוואי.
כדי להפוך את הפתרון הרווחי הזה למציאות, מדענים פיתחו מערכות פוטו-קטליטיות המפחיתות פחמן דו-חמצני בעזרת אור השמש. מערכת זו מורכבת ממצע סופג אור (כלומר, פוטוסנסיטייזר) וזרז המאפשר את העברת האלקטרונים המרובים הנדרשת להפחתת CO2 ל-HCOOH. וכך החלו לחפש זרזים מתאימים ויעילים!
הפחתה פוטו-קטליטית של פחמן דו-חמצני באמצעות אינפוגרפיקה מורכבת נפוצה. קרדיט: פרופסור קזוהיקו מאדה
בשל יעילותם ויכולת המחזור שלהם, זרזים מוצקים נחשבים למועמדים הטובים ביותר למשימה זו, ובמהלך השנים נחקרו היכולות הקטליטיות של מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs) רבות מבוססות קובלט, מנגן, ניקל וברזל, שביניהן לאחרון יש כמה יתרונות על פני מתכות אחרות. עם זאת, רוב הזרזים מבוססי הברזל שדווחו עד כה מייצרים רק פחמן חד-חמצני כמוצר העיקרי, ולא HCOOH.
עם זאת, בעיה זו נפתרה במהירות על ידי צוות חוקרים במכון הטכנולוגי של טוקיו (טוקיו טק) בראשות פרופסור קזוהיקו מאדה. במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת הכימי Angewandte Chemie, הצוות הדגים זרז מבוסס ברזל הנתמך על ידי אלומינה (Al2O3) באמצעות α-ברזל(III) אוקסיהידרוקסיד (α-FeO​​​ OH; גיאותיט). הזרז החדש α-FeO​​​OH/Al2O3 מציג ביצועי המרה מצוינים של CO2 ל-HCOOH ויכולת מיחזור מצוינת. כשנשאל על בחירת הזרז שלהם, אמר פרופסור מאדה: "אנו רוצים לחקור יסודות נפוצים יותר כזרזים במערכות פוטו-רדוקציה של CO2. אנו זקוקים לזרז מוצק שהוא פעיל, ניתן למחזור, לא רעיל וזול. זו הסיבה שבחרנו במינרלי קרקע נפוצים כמו גאתיט עבור הניסויים שלנו."
הצוות השתמש בשיטת הספגה פשוטה כדי לסנתז את הזרז שלהם. לאחר מכן הם השתמשו בחומרים Al2O3 נתמכים בברזל כדי להפחית CO2 באופן פוטו-קטליטי בטמפרטורת החדר בנוכחות פוטוסנסיטייזר מבוסס רותניום (Ru), תורם אלקטרונים ואור נראה באורכי גל של מעל 400 ננומטר.
התוצאות מעודדות מאוד. הסלקטיביות של המערכת שלהם עבור התוצר העיקרי HCOOH הייתה 80-90% עם תפוקה קוונטית של 4.3% (מה שמצביע על יעילות המערכת).
מחקר זה מציג זרז מוצק ראשון מסוגו מבוסס ברזל שיכול לייצר HCOOH בשילוב עם פוטוסנסיטייזר יעיל. הוא דן גם בחשיבות של חומר תמיכה מתאים (Al2O3) והשפעתו על תגובת החיזור הפוטוכימית.
"תובנות ממחקר זה עשויות לסייע בפיתוח זרזים חדשים ללא מתכות אצילות לצורך פוטו-רדוקציה של פחמן דו-חמצני לכימיקלים שימושיים אחרים." המחקר שלנו מראה שהדרך לכלכלת אנרגיה ירוקה אינה מסובכת. אפילו שיטות פשוטות להכנת זרזים יכולות להניב תוצאות מצוינות, וידוע היטב שתרכובות הנמצאות בשפע בכדור הארץ, אם הן נתמכות על ידי תרכובות כמו אלומינה, יכולות לשמש כזרז סלקטיבי להפחתת CO2", מסכם פרופ' מאדה.
הפניות: "אלומינה-תומכת אלפא-ברזל (III) אוקסיהידרוקסיד כזרז מוצק שניתן למחזור להפחתת CO2 באור נראה" מאת Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof. Kazuhiko Maeda, 12 במאי 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
"כאן יש יתרון גדול לדלקים נוזליים כמו בנזין. צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם משמעותה טווחי טיסה ארוכים ותדלוק מהיר."
מה דעתכם על כמה מספרים? איך צפיפות האנרגיה של חומצה פורמית משתווה לבנזין? עם אטום פחמן אחד בלבד בנוסחה הכימית, אני בספק אם זה בכלל יתקרב לבנזין.
בנוסף לכך, הריח רעיל מאוד, וכמו חומצה, הוא מאכל יותר מבנזין. אלו לא בעיות הנדסיות בלתי פתירות, אבל אלא אם חומצה פורמית מציעה יתרונות משמעותיים בהגדלת טווח הנסיעה ובהפחתת זמן תדלוק הסוללה, זה כנראה לא שווה את המאמץ.
אם הם תכננו להפיק גתיט מהאדמה, זו תהיה פעילות כרייה עתירת אנרגיה ועלולה להזיק לסביבה.
הם עשויים להזכיר הרבה גתיט באדמה מכיוון שאני חושד שיידרש יותר אנרגיה כדי להשיג את חומרי הגלם הדרושים ולגרום להם להגיב לסינתזה של גתיט.
יש צורך לבחון את מחזור החיים המלא של התהליך ולחשב את עלות האנרגיה של הכל. נאס"א לא מצאה דבר כזה שיגור חינם. אחרים צריכים לזכור זאת.
SciTechDaily: הבית של חדשות הטכנולוגיה הטובות ביותר מאז 1998. הישארו מעודכנים בחדשות הטכנולוגיה האחרונות באמצעות דוא"ל או מדיה חברתית.
רק המחשבה על הטעמים המעושנים והמשכרים של ברביקיו מספיקה כדי לגרום לרוב האנשים להזיל ריר. הקיץ כבר כאן, ועבור רבים...