Forskere finder lovende nanopartikelkandidater til kuldioxidopsamling og omdannelse

En nylig artikel i det bæredygtige kemitidsskrift ChemSusChem afslørede forskere ved University of Pittsburgh "doperer" nanopartikler for at forbedre deres evne til at opfange kuldioxid og give en rå kilde til kulstof til industrielle processer. Ikke at forveksle med dens negative brug i atletik, "doping" i kemiteknik refererer til at tilføje et stof til et andet materiale for at forbedre dets ydeevne.

Sammen med globale temperaturer, forskning i opsamling af kuldioxid (CO ₂ ) er i stigning. Mængden af ​​CO ₂ i atmosfæren har nået et historisk højdepunkt på 408 ppm, ifølge de seneste målinger fra NASA. Tidligere undersøgelser har vist sammenhængen mellem drivhusgasser som CO ₂ og den opvarmende tendens, som begyndte omkring det 20. århundrede.

"Mange af vores industrielle processer bidrager til den alarmerende mængde CO ₂ i atmosfæren, så vi er nødt til at udvikle nye teknologier for at gribe ind, " siger Giannis Mpourmpakis, assisterende professor i kemi- og petroleumsteknik ved Pitt's Swanson School of Engineering. "At fange CO ₂ fra atmosfæren og omdannelse af den til nyttige kemikalier kan være både miljømæssigt og industrielt fordelagtigt."

Dr. Mpourmpakis var medforfatter til undersøgelsen med titlen "Design af kobberbaserede bimetalliske nanopartikler til kuldioxidadsorption og aktivering" i ChemSusChem , med andre forskere i Pitts Institut for Kemi- og Petroleumsteknik, herunder professor Götz Veserand tre Ph.D. studerende:James Dean, Natalie Austin, og Yahui Yang. En kunstnerisk skildring af de zirconium-doterede kobber nanomaterialer dukkede op på et af tidsskriftets forsider til bind 11, Nummer 7 i april 2018.

Gennem en række computersimuleringer og laboratorieeksperimenter, forskerne designet og udviklede en stabil katalysator til opsamling og aktivering af CO ₂ ved at dope kobbernanopartikler med zirconium. Forskerne mener, at nanopartiklerne har et stort potentiale for at reducere kulstofaftrykket fra visse processer, såsom afbrænding af fossile brændstoffer. Imidlertid, CO ₂ molekyler er ret tilbageholdende med at ændre sig.

"CO ₂ er et meget stabilt molekyle, som skal 'aktiveres' for at omdanne det. Denne aktivering sker ved at binde CO ₂ til katalysatorsteder, der gør carbon-oxygen-bindingen mindre stabil. Vores eksperimenter bekræftede de beregningsmæssige kemiske beregninger i Mpourmpakis-gruppen, at doping af kobber med zirconium skaber en god kandidat til at svække CO ₂ obligationer, " forklarer Dr. Veser.

Mpourmpakis' gruppe brugte beregningskemi til at simulere hundredvis af potentielle eksperimenter langt hurtigere og billigere end traditionelle laboratoriemetoder og identificerede den mest lovende dopingkandidat, som derefter blev eksperimentelt verificeret.

Kobbernanopartikler er velegnede til omdannelse af CO ₂ til nyttige kemikalier, fordi de er billige, og de er fremragende hydrogeneringskatalysatorer. Gennem hydrogenering, CO ₂ kan omdannes til kemikalier af højere værdi såsom methanol (CH ₃ OH) eller methan (CH ₄ ). Desværre, omdannelse af CO ₂ kræver også dens aktivering, hvilket kobber ikke er i stand til at levere. Zirconium kommer godt ud af det med kobber og aktiverer naturligt CO ₂ .

"At have et effektivt dopingmiddel, du skal have steder på katalysatoroverfladen, der sender elektroner til CO ₂ , " siger Dr. Mpourmpakis. "Doteringsmidlet ændrer materialernes elektroniske egenskaber, og vi fandt ud af, at zirconium er særligt effektivt til at aktivere CO ₂ ."

Pitt-forskerne testede en række forskellige nanopartikelkonfigurationer og fandt de zirconium-doterede kobbernanopartikler særligt lovende katalysatorer til hydrogenering af CO ₂ og er allerede begyndt at teste deres effektivitet.