Toprakta yaygın olarak bulunan bir mineral olan α-demir-(III) oksihidroksitin, karbondioksitin formik aside fotoredüksiyonu için geri dönüştürülebilir bir katalizör olduğu bulunmuştur. (Fotoğraf: Prof. Kazuhiko Maeda)
Atmosferdeki artan CO2 seviyeleriyle mücadele etmenin iyi bir yolu, CO2'nin formik asit (HCOOH) gibi taşınabilir yakıtlara fotoredüksiyonudur. Bu göreve yardımcı olmak için, Tokyo Teknoloji Enstitüsü'ndeki bir araştırma ekibi, kolayca bulunabilen demir bazlı bir minerali seçti ve CO2'yi yaklaşık %90 seçicilikle HCOOH'ye verimli bir şekilde dönüştürebilen bir katalizör geliştirmek için bunu bir alümina desteğine yükledi!
Elektrikli araçlar birçok insan için cazip bir seçenektir ve bunun en önemli nedenlerinden biri karbon emisyonu üretmemeleridir. Ancak birçok kişi için büyük bir dezavantajı, menzillerinin kısa olması ve uzun şarj süreleridir. İşte bu noktada benzin gibi sıvı yakıtlar büyük bir avantaja sahiptir. Yüksek enerji yoğunlukları, uzun menziller ve hızlı yakıt ikmali anlamına gelir.
Benzin veya dizelden farklı bir sıvı yakıta geçmek, sıvı yakıtların avantajlarını korurken karbon emisyonlarını ortadan kaldırabilir. Örneğin, bir yakıt hücresinde formik asit, su ve karbondioksit salarak bir motora güç sağlayabilir. Bununla birlikte, formik asit atmosferik CO2'nin HCOOH'ye indirgenmesiyle üretilirse, tek net çıktı su olur.
Atmosferimizdeki artan karbondioksit seviyeleri ve bunların küresel ısınmaya katkısı artık yaygın bir haber. Araştırmacılar soruna farklı yaklaşımlar denedikçe, etkili bir çözüm ortaya çıktı: Atmosferdeki fazla karbondioksiti enerji açısından zengin kimyasallara dönüştürmek.
Güneş ışığında CO2'nin fotoredüksiyonu yoluyla formik asit (HCOOH) gibi yakıtların üretimi, son zamanlarda büyük ilgi görmüştür çünkü bu süreç iki yönlü bir fayda sağlamaktadır: hem aşırı CO2 emisyonlarını azaltır hem de şu anda karşı karşıya olduğumuz enerji kıtlığını en aza indirmeye yardımcı olur. Yüksek enerji yoğunluğuna sahip mükemmel bir hidrojen taşıyıcısı olan HCOOH, yanma yoluyla enerji sağlarken yan ürün olarak yalnızca su açığa çıkarır.
Bu kazançlı çözümü gerçeğe dönüştürmek için bilim insanları, güneş ışığı yardımıyla karbondioksiti indirgeyen fotokatalitik sistemler geliştirdiler. Bu sistem, ışığı emen bir substrat (yani bir fotosensitizatör) ve CO2'nin HCOOH'ye indirgenmesi için gerekli olan çoklu elektron transferini sağlayan bir katalizörden oluşmaktadır. Ve böylece uygun ve verimli katalizörler arayışı başladı!
Yaygın olarak kullanılan bileşikler kullanılarak karbondioksitin fotokatalitik indirgenmesiyle ilgili bilgi grafiği. Kaynak: Profesör Kazuhiko Maeda
Verimlilikleri ve geri dönüştürülebilirlik potansiyelleri nedeniyle, katı katalizörler bu görev için en iyi adaylar olarak kabul edilir ve yıllar boyunca, kobalt, manganez, nikel ve demir bazlı birçok metal-organik çerçeve (MOF) yapısının katalitik yetenekleri araştırılmıştır; bunlardan sonuncusu diğer metallere göre bazı avantajlara sahiptir. Bununla birlikte, şimdiye kadar bildirilen demir bazlı katalizörlerin çoğu, ana ürün olarak yalnızca karbonmonoksit üretir, HCOOH değil.
Ancak bu sorun, Tokyo Teknoloji Enstitüsü'nden (Tokyo Tech) Profesör Kazuhiko Maeda liderliğindeki bir araştırma ekibi tarafından hızla çözüldü. Kimya dergisi Angewandte Chemie'de yayınlanan yakın tarihli bir çalışmada, ekip α-demir(III) oksihidroksit (α-FeO₂OH; goetit) kullanarak alümina (Al₂O₃) destekli demir bazlı bir katalizör geliştirdi. Yeni α-FeO₂OH/Al₂O₃ katalizörü, mükemmel CO₂'den HCOOH'ye dönüşüm performansı ve mükemmel geri dönüştürülebilirlik sergiliyor. Katalizör seçimleriyle ilgili olarak Profesör Maeda şunları söyledi: “CO₂ fotoredüksiyon sistemlerinde katalizör olarak daha bol bulunan elementleri keşfetmek istiyoruz. Aktif, geri dönüştürülebilir, toksik olmayan ve ucuz bir katı katalizöre ihtiyacımız var. Bu nedenle deneylerimiz için goetit gibi yaygın olarak bulunan toprak minerallerini seçtik.”
Ekip, katalizörlerini sentezlemek için basit bir emprenye yöntemi kullandı. Daha sonra, rutenyum bazlı (Ru) bir fotosensibilizatör, elektron verici ve 400 nanometrenin üzerindeki dalga boylarına sahip görünür ışık varlığında, oda sıcaklığında CO2'yi fotokatalitik olarak indirgemek için demir destekli Al2O3 malzemeleri kullandılar.
Sonuçlar oldukça cesaret verici. Sistemlerinin ana ürün olan HCOOH için seçiciliği %80-90 olup, kuantum verimi %4,3'tür (sistemin verimliliğini göstermektedir).
Bu çalışma, etkili bir fotosensibilizatör ile eşleştirildiğinde HCOOH üretebilen, türünün ilk örneği olan demir bazlı katı bir katalizörü sunmaktadır. Ayrıca, uygun destek malzemesinin (Al2O3) önemini ve fotokimyasal indirgeme reaksiyonu üzerindeki etkisini de tartışmaktadır.
Bu araştırmadan elde edilen bilgiler, karbondioksitin diğer faydalı kimyasallara fotoredüksiyonu için yeni, değerli metal içermeyen katalizörlerin geliştirilmesine yardımcı olabilir. Profesör Maeda, "Araştırmamız, yeşil enerji ekonomisine giden yolun karmaşık olmadığını gösteriyor. Basit katalizör hazırlama yöntemleri bile harika sonuçlar verebilir ve alümina gibi bileşiklerle desteklendiğinde, bol miktarda bulunan bileşiklerin CO2 indirgenmesi için seçici bir katalizör olarak kullanılabileceği iyi bilinmektedir" diye sonuçlandırıyor.
Referanslar: "Görünür Işık Altında CO2 Foto İndirgemesi için Geri Dönüştürülebilir Katı Katalizör Olarak Alümina Destekli Alfa-Demir (III) Oksihidroksit" Yazan: Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof .. Toshiyuki Yokoi, Prof. Shunsuke Nozawa, Prof. Kazuhiko Maeda, 12 Mayıs 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
“İşte bu noktada benzin gibi sıvı yakıtların büyük bir avantajı var. Yüksek enerji yoğunlukları uzun menzil ve hızlı yakıt ikmali anlamına geliyor.”
Peki ya bazı rakamlar? Formik asidin enerji yoğunluğu benzinle nasıl karşılaştırılır? Kimyasal formülünde sadece bir karbon atomu bulunduğundan, benzine yaklaşacağını bile sanmıyorum.
Bunun yanı sıra, kokusu çok zehirli ve asit olduğu için benzinden daha aşındırıcıdır. Bunlar çözülemeyecek mühendislik sorunları değil, ancak formik asit menzili artırmada ve pil şarj süresini azaltmada önemli avantajlar sunmadığı sürece, muhtemelen çabaya değmez.
Eğer topraktan goetit çıkarmayı planlasalardı, bu enerji yoğun bir madencilik operasyonu olurdu ve çevreye potansiyel olarak zarar verebilirdi.
Toprakta çok miktarda goetit bulunmasından bahsedebilirler çünkü gerekli ham maddeleri elde etmek ve bunları reaksiyona sokarak goetit sentezlemek daha fazla enerji gerektirecektir diye düşünüyorum.
Sürecin tüm yaşam döngüsüne bakmak ve her şeyin enerji maliyetini hesaplamak gerekiyor. NASA, bedava fırlatma diye bir şey bulamadı. Diğerlerinin de bunu aklında tutması gerekiyor.
SciTechDaily: 1998'den beri en iyi teknoloji haberlerinin adresi. E-posta veya sosyal medya aracılığıyla en son teknoloji haberlerinden haberdar olun.
Barbekünün dumanlı ve cezbedici lezzetlerini düşünmek bile çoğu insanın ağzını sulandırmaya yeter. Yaz geldi ve birçok kişi için…