Kobber-indiumoxid:En hurtigere og køligere måde at reducere vores CO2-fodaftryk

Med stadigt forværrede klimaændringer, der er et stigende behov for teknologier, der kan opfange og opbruge den atmosfæriske CO ₂ (kuldioxid) og reducere vores CO2-fodaftryk. Inden for vedvarende energi, CO ₂ -baserede e-brændstoffer er dukket op som en lovende teknologi, der forsøger at omdanne atmosfærisk CO ₂ til rene brændstoffer. Processen involverer produktion af syntetisk gas eller syntegas (en blanding af brint og carbonmonoxid (CO)). Ved hjælp af reverse water-gas shift (RWGS) reaktionen, CO ₂ nedbrydes til den CO, der er nødvendig for syngas. Mens den lover i sin konverteringseffektivitet, RWGS-reaktionen kræver utrolig høje temperaturer (> 700°C) for at fortsætte, samtidig med at det genererer uønskede biprodukter.

For at løse disse problemer, videnskabsmænd udviklede en modificeret version af kemisk looping af RWGS-reaktionen, der omdanner CO ₂ til CO i en to-trins metode. Først, et metaloxid, bruges som iltopbevarende materiale, reduceres med brint. Efterfølgende det re-oxideres af CO ₂ , giver CO. Denne metode er fri for uønskede biprodukter, gør gasseparation lettere, og kan gøres mulig ved lavere temperaturer afhængigt af det valgte oxid. Følgelig, forskere har ledt efter oxidmaterialer, der udviser høje oxidations-reduktionshastigheder uden at kræve høje temperaturer.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Kemisk Videnskab , forskere fra Waseda University og ENEOS Corporation i Japan har afsløret, at et nyt indiumoxid modificeret med kobber (Cu-In ₂ O ₃ ) udviser en rekordstor CO ₂ konverteringsrate på 10 mmolh ^-1 g ^-1 ved relativt beskedne temperaturer (400-500°C), hvilket gør det til en frontløber blandt iltlagringsmaterialer, der kræves til lavtemperatur CO ₂ konvertering. For bedre at forstå denne adfærd, holdet undersøgte de strukturelle egenskaber af Cu-In-oxid sammen med kinetikken involveret i RWGS-reaktionen med kemisk sløjfe.

Forskerne udførte røntgenbaserede analyser og fandt ud af, at prøven oprindeligt indeholdt et modermateriale, Cu2In ₂ O ₅ , som først blev reduceret med brint for at danne en Cu-In-legering og indiumoxid (In ₂ O ₃ ) og derefter oxideret af CO ₂ for at give Cu-In ₂ O ₃ og CO. Røntgendata afslørede yderligere, at det undergik oxidation og reduktion under reaktionen, at give videnskabsfolk nøglen. "Røntgenmålingerne gjorde det klart, at den kemisk sløjfede RWGS-reaktion er baseret på reduktion og oxidation af indium, hvilket fører til dannelse og oxidation af Cu-In-legeringen, " forklarer professor Yasushi Sekine fra Waseda University, der ledede undersøgelsen.

Kinetikundersøgelserne gav yderligere indsigt i reaktionen. Reduktionstrinnet afslørede, at Cu var ansvarlig for reduktionen af ​​indiumoxid ved lave temperaturer, mens oxidationstrinnet viste, at Cu-In-legeringsoverfladen bevarede en stærkt reduceret tilstand, mens dens bulk blev oxideret. Dette gjorde det muligt for oxidationen at ske dobbelt så hurtigt som for andre oxider. Holdet tilskrev denne ejendommelige oxidationsadfærd til en hurtig migration af negativt ladede oxygenioner fra Cu-In-legeringsoverfladen til dens bulk, som bidrog til den foretrukne bulkoxidation.

Resultaterne har, ganske forventet, begejstrede videnskabsmænd om fremtidsudsigterne for kobber-indiumoxider. "I betragtning af den nuværende situation med kulstofemission og global opvarmning, en højtydende kuldioxidomdannelsesproces er meget ønsket. Selvom den kemisk sløjfede RWGS-reaktion fungerer godt med mange oxidmaterialer, vores nye Cu-In-oxid her viser en bemærkelsesværdig højere ydeevne end nogen af ​​dem. Vi håber, at dette vil bidrage væsentligt til at reducere vores CO2-fodaftryk og drive menneskeheden mod en mere bæredygtig fremtid." afslutter Sekine.