Naukowcy z Wydziału Inżynierii Uniwersytetu w Toronto opracowali nowy katalizator, który skutecznie przekształca wychwycony węgiel w cenne produkty, takie jak etylen i etanol, nawet w obecności substancji zanieczyszczających tlenkiem siarki. Odkrycie oferuje bardziej opłacalny sposób wychwytywania i optymalizacji dwutlenku węgla, potencjalnie rewolucjonizując takie gałęzie przemysłu, jak produkcja stali i cementu, umożliwiając im skuteczniejsze odprowadzanie dwutlenku węgla ze strumieni odpadów.
Katalizator elektrochemiczny przekształcający dwutlenek węgla w cenne produkty może zwalczyć zanieczyszczenia, które zatruwają istniejące wersje.
Nowy katalizator przyspiesza konwersję wychwyconego węgla w produkty handlowe, utrzymując wysoką wydajność pomimo zanieczyszczeń tlenkiem siarki. Ta innowacja może znacząco obniżyć koszty i zapotrzebowanie na energię w technologiach wychwytywania dwutlenku węgla, co będzie miało wpływ na przemysł ciężki.
Naukowcom z Wydziału Inżynierii Uniwersytetu w Toronto udało się stworzyć nowy katalizator, który skutecznie przekształca wychwycony węgiel w cenne produkty – nawet w obecności substancji zanieczyszczającej, która pogarsza działanie istniejących wersji.
Odkrycie to stanowi ważny krok w kierunku bardziej opłacalnych technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla, które można dodać do istniejących procesów przemysłowych.
Rozwój technologii konwersji węgla
mówi profesor David Sinton (MIE), główny autor artykułu opublikowanego w czasopiśmie Energia natury 4 lipca który opisuje nowy katalizator.
„Istnieją jednak inne sektory gospodarki, które trudno będzie zdekarbonizować: na przykład produkcja stali i cementu. Aby pomóc tym branżom, musimy opracować innowacyjne, opłacalne sposoby wychwytywania i zwiększania skali emisji dwutlenku węgla ze strumieni odpadów”.
Doktoranci inżynierii Uniwersytetu w Toronto, Roy Kai (Ray) Miao (po lewej) i Panos Papangelakis (po prawej), trzymają w rękach nowy katalizator, który zaprojektowali do przekształcania wychwyconego dwutlenku węgla w cenne produkty. Ich model działa dobrze nawet w obecności dwutlenku siarki, substancji zanieczyszczającej zatruwającej inne katalizatory. Zdjęcie: Tyler Irving/Uniwersytet Inżynieryjny w Toronto
Zastosowanie elektrolizera w konwersji węgla
Sinton i jego zespół używają urządzeń zwanych elektrolizerami do przekształcania dwutlenku węgla i energii elektrycznej w produkty takie jak etylen i etanol. Te cząsteczki oparte na węglu można sprzedać jako paliwo lub wykorzystać jako surowce chemiczne do produkcji przedmiotów codziennego użytku, takich jak plastik.
Wewnątrz elektrolizera reakcja konwersji zachodzi, gdy trzy pierwiastki – gazowy dwutlenek węgla, elektrony i ciekły elektrolit na bazie wody – łączą się na powierzchni stałego katalizatora.
Katalizator jest często wykonany z miedzi, ale może również zawierać inne metale lub związki organiczne, które mogą jeszcze bardziej ulepszyć system. Jego zadaniem jest przyspieszenie reakcji i ograniczenie tworzenia się niepożądanych produktów ubocznych, takich jak gazowy wodór, co zmniejsza ogólną wydajność procesu.
Rozwiązanie problemów związanych z wydajnością katalizatora
Chociaż wielu zespołom badawczym na całym świecie udało się wyprodukować katalizatory o wysokiej wydajności, prawie wszystkie z nich są zaprojektowane do pracy z czystym dwutlenkiem węgla. Jeśli jednak węgiel, o którym mowa, pochodzi z kominów, węgiel wytwarzany w tym procesie prawdopodobnie nie będzie czysty.
„Projektanci katalizatorów na ogół nie lubią zajmować się zanieczyszczeniami i nie bez powodu” – mówi Panos Papangelakis, doktorant w dziedzinie inżynierii mechanicznej i jeden z pięciu współautorów nowej pracy.
„Tlenki siarki, takie jak dwutlenek siarki, zatruwają katalizator, wiążąc się z powierzchnią. To pozostawia mniej miejsc, w których dwutlenek węgla może zareagować, a także tworzą się niepożądane chemikalia”.
„Dzieje się to bardzo szybko: chociaż niektóre katalizatory mogą wytrzymać setki godzin przy czystym zasilaniu, jeśli dodasz te zanieczyszczenia, ich wydajność może spaść do 5% w ciągu kilku minut”.
Chociaż istnieją dobrze znane metody usuwania zanieczyszczeń z gazów spalinowych bogatych w CO2 przed wprowadzeniem ich do elektrolizera, metody te są czasochłonne, energochłonne i kosztowne w zakresie wychwytywania dwutlenku węgla i optymalizacji. Co więcej, w przypadku dwutlenku siarki nawet jego niewielka ilość może stanowić duży problem.
„Nawet jeśli zmniejszymy ilość gazów spalinowych do mniej niż 10 części na milion, czyli 0,001% wsadu, katalizator może się zatruć w czasie krótszym niż dwie godziny” – mówi Papangelakis.
Innowacje w projektowaniu katalizatorów
W tym artykule zespół opisuje, jak zaprojektował bardziej elastyczny katalizator odporny na dwutlenek siarki, wprowadzając dwie kluczowe zmiany w stosunku do typowego katalizatora na bazie miedzi.
Z jednej strony dodali cienką warstwę politetrafluoroetylenu, znanego również jako teflon. Ten nielepki materiał zmienia skład chemiczny powierzchni katalizatora, hamując reakcje, które umożliwiają zatrucie dwutlenkiem siarki.
Z drugiej strony dodali warstwę Nafionu, elektrycznie przewodzącego polimeru zwykle stosowanego w ogniwach paliwowych. Ten złożony, porowaty materiał zawiera pewne obszary, które są hydrofilowe, co oznacza, że przyciągają wodę, a także inne obszary, które są hydrofobowe, co oznacza, że ją odpychają. Taka struktura utrudnia dwutlenkowi siarki dotarcie do powierzchni katalizatora.
Wydajność w niesprzyjających warunkach
Następnie zespół zasilił ten katalizator mieszaniną dwutlenku węgla i dwutlenku siarki, przy czym ten ostatni miał stężenie około 400 części na milion, co odpowiada typowemu przepływowi odpadów przemysłowych. Nawet w tych trudnych warunkach nowy katalizator spisał się dobrze.
„W tym badaniu zaobserwowaliśmy wydajność Faradaya – miarę liczby elektronów, które trafiły do pożądanych produktów – na poziomie 50%, którą byliśmy w stanie utrzymać przez 150 godzin” – mówi Papangelakis.
„Istnieją katalizatory, które na początku mogą mieć wyższą wydajność, może 75% lub 80%. Ale znowu, jeśli zostaniesz wystawiony na działanie dwutlenku siarki, w ciągu kilku minut lub co najwyżej kilku godzin skuteczność spadnie prawie do zera. udało mi się z tym walczyć.”
Przyszłe trendy i implikacje
Papangelakis twierdzi, że podejście jego zespołu nie wpływa na skład samego katalizatora i dlatego powinno być szeroko stosowane. Innymi słowy, zespoły, które opanowały już wysokowydajne katalizatory, powinny móc zastosować podobne powłoki, aby zapewnić im odporność na zatrucie tlenkiem siarki.
Chociaż tlenki siarki są najtrudniejszym zanieczyszczeniem w typowych strumieniach odpadów, nie są to jedyne zanieczyszczenia, ponieważ zespół następnie zajął się pełną gamą zanieczyszczeń chemicznych.
„Istnieje wiele innych zanieczyszczeń, które należy wziąć pod uwagę, takich jak tlenki azotu, tlen itp.” – mówi Papangelakis.
„Jednak fakt, że to podejście sprawdza się bardzo dobrze w przypadku tlenków siarki, jest bardzo obiecujący. Przed rozpoczęciem prac uważano za oczywiste, że przed uszlachetnieniem dwutlenku węgla należy usunąć zanieczyszczenia. Pokazaliśmy, że może istnieć inny sposób sobie z tym poradzić, co otwiera wiele nowych możliwości.”
Odniesienie: „Poprawa tolerancji SO2 w elektrokatalizatorach redukujących CO2 przy użyciu projektu heterozłącza polimerowego/katalizatora/jonomeru” autorstwa Panagiotisa Papangelakisa, Rui Kai Miao, Ruihu Lu, Hanqi Liu, Shi Wanga, Adnana Ozdena, Shijie Liu i Ning Sun, Colina B. O „Brien, Yongfeng Hu, Mohsen Shakouri, Qinfeng Xiao, Mingsha Li, Behrouz Khater, Jian’an Eric Huang, Yakun Wang, Yu-Celin Xiao, Feng Li, Ali Shaisteh Zarate, Qiang Zhang, Pingyu Liu, Kevin Golovin i Jin -Yi Hao, Hongjian Liang, Xiyun Wang, Jun Li, Edward H. Sargent i David Sinton, 4 lipca 2024 r., Energia natury.
DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9
„Amatorski przedsiębiorca. Profesjonalny ekspert od internetu. Człowiek zombie. Nieuleczalny badacz popkultury”.