Ny metode til fremstilling af små katalysatorer lover luftkvaliteten

Forstærket med jern:Det er ikke kun til morgenmadsprodukter længere. University of Illinois forskere har demonstreret en enklere metode til at tilføje jern til små kulstofkugler for at skabe katalytiske materialer, der har potentialet til at fjerne forurenende stoffer fra gas eller væske.

Professor i civil- og miljøteknik, Mark Rood, kandidatstuderende John Atkinson og deres team beskrev deres teknik i journalen Kulstof .

Kulstofstrukturer kan være en støttebase for katalysatorer, såsom jern og andre metaller. Jern er en let tilgængelig, billig katalysator med mulige katalytiske applikationer til brændselsceller og miljøapplikationer til adsorbering af skadelige kemikalier, såsom arsen eller kulilte. Forskere producerer en kulstofmatrix, der har mange porer eller tunneler, som en svamp. Det store overfladeareal skabt af porerne giver steder til at sprede små jernpartikler gennem matrixen.

En almindelig kulstofkilde er kul. Typisk, forskere ændrer kul-baserede materialer til meget porøst aktivt kul og tilføjer derefter en katalysator. Flertrinsprocessen tager tid og enorme mængder energi. Ud over, materialer fremstillet med kul er plaget af aske, som kan indeholde spor af andre metaller, der forstyrrer reaktiviteten af ​​den kulstofbaserede katalysator.

Illinois-holdet er askefrit, billig proces tager sit kulstof fra sukker i stedet for kul.

I én kontinuerlig proces, det producerer små, mikrometer-store kugler af porøse, svampet kulstof indlejret med jernnanopartikler - alt sammen i løbet af få sekunder.

"Det er det, der virkelig adskiller dette fra andre teknikker. Nogle mennesker har carboniseret og imprægneret med jern, men de har ingen overflade. Andre mennesker har overfladeareal, men var ikke i stand til at fylde det med jern, " sagde Atkinson. "Vores teknik giver både kulstofoverfladen og jernnanopartiklerne."

Forskerne byggede på en teknik kaldet ultrasonic spray pyrolyse (USP), udviklet i U. of I. kemiprofessor Kenneth Suslicks laboratorium i 2005. Suslick brugte en husholdningsfugter til at lave fin tåge af en kulstofrig opløsning, ledede derefter tågen gennem en ekstremt varm ovn, som fordampede vandet fra hver dråbe og efterlod små, meget porøse kulstofkugler.

Atkinson brugte USP til at lave sine kulstofkugler, men tilsat et jernholdigt salt til en kulstofrig sukkeropløsning. Når tågen ledes ind i ovnen, varmen stimulerer en kemisk reaktion mellem opløsningens ingredienser, der skaber kulstofkugler med jernpartikler spredt overalt.

"Vi var i stand til at drage fordel af Dr. Suslicks USP-teknik, og vi bygger videre på det ved samtidig at imprægnere det porøse kulstof med metalnanopartikler, " sagde Atkinson. "Det er enkelt, fordi det er kontinuerligt. Vi kan isolere kulstoffet, tilføje porer, og imprægner jern i kulstofkuglerne i et enkelt trin."

En anden fordel ved USP-teknikken er evnen til at skabe materialer til at imødekomme særlige behov. Ved at fremstille materialet fra bunden, i stedet for at forsøge at ændre hyldevarer, videnskabsmænd og ingeniører kan udvikle materialer til specifikke problemløsningsscenarier.

"Lige nu, du tager kul op af jorden og modificerer det. Det er svært at skræddersy det til at løse et bestemt luftkvalitetsproblem, " sagde Rood. "Vi kan let ændre dette nye materiale ved, hvordan det aktiveres for at skræddersy dets overfladeareal og mængden af ​​imprægneret jern. Denne metode er enkel, fleksibel og skræddersyet."

Næste, forskerne vil udforske anvendelser af materialet. Rood og Atkinson har modtaget to bevillinger fra National Science Foundation til at udvikle kulstof-jernsfærerne til at fjerne nitrogenoxid, kviksølv, og dioxin fra gasstrømme – bioakkumulerende forurenende stoffer, der har skabt bekymring som emissioner fra forbrændingskilder.

I øjeblikket, de tre forurenende stoffer kan håndteres separat af kulstofbaserede adsorbenter og katalysatorer, men Illinois-teamet og samarbejdspartnere i Taiwan håber at udnytte kulstofs adsorptionsegenskaber og jerns reaktivitet til at fjerne alle tre forurenende stoffer fra gasstrømmene samtidigt.

"Vi kigger på at udnytte deres porøsitet og, ideelt set, også deres katalytiske anvendelser, Atkinson sagde. "Carbon er et meget alsidigt materiale. Det, der tænker mig, er en kontrol med flere forurenende stoffer, hvor du kan bruge porøsiteten og katalysatoren til at tackle to problemer på én gang."