Nyt gennembrud inden for nanoteknologi, der bruger atmosfærisk kulstof til at fremstille nyttige kemikalier

Afbrænding af fossile brændstoffer som kul og naturgas frigiver kulstof til atmosfæren som CO2, mens produktionen af ​​methanol og andre værdifulde brændstoffer og kemikalier kræver tilførsel af kulstof. Der er i øjeblikket ingen økonomisk eller energieffektiv måde at opsamle CO2 fra atmosfæren og bruge det til at producere kulstofbaserede kemikalier, men forskere ved University of Pittsburgh Swanson School of Engineering har netop taget et vigtigt skridt i den retning.

Holdet arbejdede med en klasse af nanomaterialer kaldet metal-organiske rammer eller "MOF'er, " som kan bruges til at tage kuldioxid ud af atmosfæren og kombinere det med brintatomer for at omdanne det til værdifulde kemikalier og brændstoffer. Karl Johnson, William Kepler Whiteford -professor i Swanson Schools afdeling for kemi- og petroleumsteknik, ledet forskergruppen som hovedforsker.

"Vores ultimative mål er at finde en lavenergi, lavpris MOF, der er i stand til at separere kuldioxid fra en blanding af gasser og forberede den til at reagere med brint, " siger Dr. Johnson. "Vi fandt en MOF, der kunne bøje CO2-molekylerne lidt, tage dem til en tilstand, hvor de lettere reagerer med brint. "

Johnson Research Group offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Royal Society of Chemistry (RSC). Katalysevidenskab og teknologi (DOI:10.1039/c8cy01018h). Tidsskriftet fremhævede deres arbejde på forsiden, illustrerer processen med kuldioxid og brintmolekyler, der kommer ind i MOF og forlader som CH2O2 eller myresyre - en kemisk forløber for methanol. For at denne proces kan finde sted, molekylerne skal overvinde en krævende energitærskel kaldet hydrogeneringsbarrieren.

Dr. Johnson forklarer, "Hogeneringsbarrieren er den energi, der skal til for at tilføje to H-atomer til CO2, som omdanner molekylerne til myresyre. Med andre ord, det er den energi, der er nødvendig for at få H -atomerne og CO2 -molekylerne sammen, så de kan danne den nye forbindelse. I vores tidligere arbejde har vi været i stand til at aktivere H2 ved at splitte to H-atomer, men vi har ikke været i stand til at aktivere CO2 før nu. "

Nøglen til at reducere hydrogeneringsbarrieren var at identificere en MOF, der var i stand til at præaktivere kuldioxid. Præaktivering er grundlæggende at forberede molekylerne til den kemiske reaktion ved at sætte dem i den rigtige geometri, den rigtige position, eller den rigtige elektroniske tilstand. Den MOF, de modellerede i deres arbejde, opnår præaktivering af CO2 ved at sætte den ind i en let bøjet geometri, der er i stand til at acceptere de indkommende brintatomer med en lavere barriere.

Et andet nøgletræk ved denne nye MOF er, at den selektivt reagerer med brintmolekyler over kuldioxid, så de aktive sider ikke blokeres af CO2. "Vi designede en MOF, der har begrænset plads omkring sine bindingssteder, så der ikke er plads nok til at binde CO2, men der er stadig masser af plads til at binde H2, fordi den er så meget mindre. Vores design sikrer, at CO2 ikke binder sig til MOF, men i stedet er fri til at reagere med H -molekylerne allerede inden for rammen, "siger Dr. Johnson.

Dr. Johnson mener, at perfektion af et enkelt materiale, der både kan opfange og omdanne CO2, ville være økonomisk rentabelt og ville reducere nettomængden af ​​CO2 i atmosfæren. "Du kan fange CO2 fra røggas på kraftværker eller direkte fra atmosfæren, " siger han. "Denne forskning indsnævrer vores søgen efter et meget sjældent materiale med evnen til at gøre en hypotetisk teknologi til en reel fordel for verden."