Bedre metaloxider til at booste de grønne legitimationsoplysninger for mange energiapplikationer

Forskere har løst en vigtig hindring i grønnere fremstilling, kulstofopsamling, energilagring og gasrensning - ved hjælp af metaloxider.

Metaloxider er forbindelser, der spiller en afgørende rolle i processer, der reducerer kuldioxid (CO₂ ) emissioner. Disse processer omfatter kulstofopsamling, udnyttelse og lagring (CCUS), rensning og genanvendelse af inerte gasser ved fremstilling af solpaneler, termokemisk energilagring og produktion af brint til energi.

Disse processer er baseret på reaktioner, hvor metaloxider får og taber elektroner, kendt som redoxreaktioner. Imidlertid lider ydeevnen af ​​metaloxider under redoxreaktioner ved de høje temperaturer, der kræves til kemisk fremstilling.

Nu har et team ledet af Imperial College London udviklet en ny materialedesignstrategi, der producerer kobberbaserede metaloxider, der klarer sig bedre under høje temperaturer. Teknologien har allerede en global indflydelse på argongenanvendelse i fremstilling af solpaneler og forventes at hjælpe med at frigøre endnu mere strøm fra eksisterende energiteknologier, der bekæmper klimakrisen.

Seniorforfatter Dr. Qilei Song, fra Imperials afdeling for kemiteknik, siger, at "efterhånden som verden går over til netto nul, har vi brug for flere innovative industrielle processer til dekarbonisering. For at øge energisikkerheden skal vi diversificere elforsyningen fra vedvarende energiproduktion. og opbevaring til ren brug af fossile brændstoffer med CCUS-teknologier. Vores forbedrede metaloxider rummer et stort potentiale til brug i de energiprocesser, der hjælper os med at nå netto nul."

Artiklen er udgivet i Nature Communications .

Fjernelse af en proces

Metaloxider er nøglespillere i en relativt ny proces kaldet kemisk looping combustion (CLC).

CLC er en alternativ måde at brænde fossile brændstoffer på, der bruger metaloxider, såsom kobberoxider, til at transportere ilt fra luften for at reagere med brændstoffet. Reaktionen producerer CO₂ og damp, som kondenseres for at muliggøre effektiv opsamling af CO₂ for at forhindre det i atmosfæren

Ved at fange CO₂ som er produceret, kan CLC hjælpe folk med at bruge fossile brændstoffer på en renere måde, og det bruges allerede i EU, USA og Kina.

Et nøgleproblem, der har holdt CLC tilbage fra brug i større skala, er metaloxidernes manglende evne til at opretholde en god iltfrigivende ydeevne over flere redoxcyklusser ved høje temperaturer.

For at løse problemet undersøgte forskerne de grundlæggende strukturer af de metaloxider, der blev brugt i CLC, og begrundede, at forløberens kemi til metaloxider var dårligt forstået, hvilket begrænsede deres rationelle design.

Medforfatter Michael High, Ph.D. kandidat ved Imperial's Department of Chemical Engineering, siger, at "for at løse spørgsmålet om, hvordan metaloxider opretholder deres ydeevne, kiggede vi på det grundlæggende i de kemiske processer, der er involveret i CLC. Dette er et nøgleeksempel på at kombinere grundlæggende forskning og smart design for at producere en strategi, der er anvendelig til en bred vifte af ingeniørprocesser."

De brugte en alternativ måde at konstruere metaloxidstrukturen fra en velkendt forløber bestående af kobber-magnesium-aluminium lagdelte dobbelthydroxider (LDH'er). Ved at skræddersy kemien af ​​LDH-prækursorer fandt forskerne ud af, at de kunne producere metaloxider, der stadig kunne klare sig godt under bemærkelsesværdigt høje temperaturer. De demonstrerede dette ved at bringe oxiderne gennem 100 kemiske cyklusser i en meget brugt type reaktor, kendt som en fluid bed-reaktor, i 65 timer.

Deres større evne til at modstå varme betyder, at metaloxider produceret på denne måde kan bruges til at frigøre mere kraft fra rensning og genanvendelse af inaktive gasser som argon ved fremstilling af solpaneler, opsamling og lagring af kulstof, kemisk energilagring og fremstilling af rent brint. For at vise dette opskalerede forskerne produktionen af ​​metaloxider til brug i fluid bed-reaktorer. De fandt ud af, at fremstillingen af ​​disse materialer er enkel og let egnet til opskalering ved hjælp af eksisterende industrielle fremstillingsmetoder.

Seniorforfatter professor Paul Fennell, også fra Institut for Kemiteknik, siger, at "verden skal nå netto nul CO2-emissioner i 2050. Vedvarende energi udvikler sig hurtigt, men på kort sigt er vi nødt til at udvikle omkostningseffektive kulstoffangstteknologier, der kan anvendes til at dekarbonisere industrien. Vores arbejde vil hjælpe med at løse denne globale udfordring."

Dernæst vil forskerne studere materialernes langsigtede stabilitet under forbrændingen af ​​forskellige typer brændstoffer, udforske nye anvendelser til termokemisk energilagring og udvide tilgangen til andre metaloxidsystemer til fremstilling af rent brint via termokemiske redoxcyklusser. + Udforsk yderligere

Team laver kort til produktion af miljøvenlige metaller