Un catalizator de neoprit depășește sulful pentru a revoluționa captarea carbonului

Un catalizator electrochimic care transformă dioxidul de carbon în produse valoroase poate combate impuritățile care otrăvesc versiunile existente.

Un nou catalizator stimulează conversia carbonului captat în produse comerciale, menținând o eficiență ridicată în ciuda impurităților de oxid de sulf. Această inovație ar putea reduce semnificativ costurile și cerințele energetice în tehnologiile de captare a carbonului, având un impact asupra industriei grele.

Cercetătorii de la Departamentul de Inginerie al Universității din Toronto au creat cu succes un nou catalizator care transformă eficient carbonul captat în produse valoroase – chiar și în prezența unui poluant care degradează performanța versiunilor existente.

Această descoperire este un pas important către tehnologii de captare și stocare a carbonului mai viabile din punct de vedere economic, care pot fi adăugate proceselor industriale existente.

Evoluții în tehnologiile de conversie a carbonului

spune profesorul David Sinton (MIE), autorul principal al unei lucrări publicate în jurnal Energia naturii Pe 4 iulie care descrie noul catalizator.

„Dar există alte sectoare ale economiei care vor fi dificil de decarbonizat: de exemplu, producția de oțel și ciment, pentru a ajuta aceste industrii, trebuie să inovăm modalități rentabile de a capta și de a extinde carbonul din fluxurile de deșeuri.”

Studenții doctoranzi în inginerie de la Universitatea din Toronto Roy Kai (Ray) Miao (stânga) și Panos Papangelakis (dreapta) dețin un nou catalizator pe care l-au proiectat pentru a transforma dioxidul de carbon capturat în produse valoroase. Modelul lor funcționează bine chiar și în prezența dioxidului de sulf, un poluant care otrăvește alți catalizatori. Credit imagine: Tyler Irving/University of Toronto Engineering

Utilizarea electrolizorului în conversia carbonului

Sinton și echipa sa folosesc dispozitive cunoscute sub numele de electrolizoare pentru a transforma dioxidul de carbon și electricitatea în produse precum etilena și etanolul. Aceste molecule pe bază de carbon pot fi vândute ca combustibil sau folosite ca materii prime chimice pentru a face obiecte de zi cu zi, cum ar fi plasticul.

În interiorul electrolizorului, o reacție de conversie are loc atunci când trei elemente – dioxid de carbon gazos, electroni și un electrolit lichid pe bază de apă – se combină pe suprafața unui catalizator solid.

Catalizatorul este adesea fabricat din cupru, dar poate conține și alte metale sau compuși organici care pot îmbunătăți în continuare sistemul. Funcția sa este de a accelera reacția și de a reduce formarea de produse secundare nedorite, cum ar fi hidrogenul gazos, ceea ce reduce eficiența globală a procesului.

Abordarea provocărilor privind eficiența catalizatorului

În timp ce multe echipe de cercetare din întreaga lume au reușit să producă catalizatori de înaltă performanță, aproape toți sunt proiectați să funcționeze cu dioxid de carbon pur. Dar dacă carbonul în cauză provine din coșuri de fum, carbonul produs prin acest proces este probabil să fie departe de a fi pur.

„Designerii de catalizatori, în general, nu le place să se ocupe de impurități și din motive întemeiate”, spune Panos Papangelakis, doctorand în inginerie mecanică și unul dintre cei cinci co-autori ai noii lucrări.

„Oxizii de sulf, cum ar fi dioxidul de sulf, otrăvesc catalizatorul prin legarea de suprafață. Acest lucru lasă mai puține locuri pentru ca dioxidul de carbon să reacționeze și, de asemenea, creează substanțe chimice pe care nu le dorești”.

„Se întâmplă foarte repede: în timp ce unii catalizatori pot dura sute de ore cu un furaj pur, dacă introduceți aceste impurități, eficiența lor poate scădea la 5% în câteva minute.”

Deși există metode bine stabilite pentru îndepărtarea impurităților din gazele de eșapament bogate în CO2 înainte de a le introduce în electrolizor, aceste metode sunt consumatoare de timp, consumatoare de energie și costisitoare pentru a capta și îmbunătăți captarea carbonului. Mai mult, în cazul dioxidului de sulf, chiar și puțin poate fi o mare problemă.

„Chiar dacă reduceți gazele de eșapament la mai puțin de 10 părți per milion sau 0,001% din alimentare, catalizatorul poate otrăvi în mai puțin de două ore”, spune Papangelakis.

Inovații în proiectarea catalizatorului

În această lucrare, echipa descrie modul în care au proiectat un catalizator mai flexibil, capabil să reziste dioxidului de sulf, făcând două modificări cheie la un catalizator tipic pe bază de cupru.

Pe de o parte, au adăugat un strat subțire de politetrafluoretilenă, cunoscut și sub numele de Teflon. Acest material antiaderent modifică chimia de pe suprafața catalizatorului, inhibând reacțiile care permit otrăvirea cu dioxid de sulf.

Pe de altă parte, au adăugat un strat de Nafion, un polimer conductiv electric utilizat de obicei în celulele de combustie. Acest material complex, poros, conține unele zone care sunt hidrofile, adică atrag apa, precum și alte zone care sunt hidrofobe, adică o resping. Această structură face dificilă atingerea dioxidului de sulf la suprafața catalizatorului.

Performanță în condiții nefavorabile

Echipa a alimentat apoi acest catalizator cu un amestec de dioxid de carbon și dioxid de sulf, acesta din urmă având o concentrație de aproximativ 400 de părți per milion, ceea ce reprezintă un flux tipic de deșeuri industriale. Chiar și în aceste condiții dificile, noul catalizator a funcționat bine.

„În acest studiu, am raportat o eficiență Faraday – o măsură a numărului de electroni care au ajuns în produsele dorite – de 50%, pe care am reușit să o menținem timp de 150 de ore”, spune Papangelakis.

„Există unii catalizatori care ar putea începe cu o eficiență mai mare, poate 75% sau 80%. Dar din nou, dacă ești expus la dioxid de sulf, în câteva minute sau cel mult câteva ore, eficiența scade la aproape zero. am reușit să combat asta.” „

Tendințele și implicațiile viitoare

Papangelakis spune că abordarea echipei sale nu afectează compoziția catalizatorului în sine, așa că ar trebui să fie aplicată pe scară largă. Cu alte cuvinte, echipele care au stăpânit deja catalizatorii de înaltă performanță ar trebui să poată folosi acoperiri similare pentru a le oferi rezistență la otrăvirea cu oxid de sulf.

Deși oxizii de sulf sunt impuritățile cele mai provocatoare din fluxurile tipice de deșeuri, ei nu sunt singurele impurități, deoarece echipa urmărește întreaga gamă de contaminanți chimici.

„Există o mulțime de alte impurități de luat în considerare, cum ar fi oxizii de azot, oxigenul etc.”, spune Papangelakis.

„Dar faptul că această abordare funcționează foarte bine cu oxizii de sulf este foarte promițător înainte de această lucrare, era de la sine înțeles că trebuie să eliminați impuritățile înainte de a îmbunătăți dioxidul de carbon pentru a face față, ceea ce deschide o mulțime de noi posibilități.”

Referință: „Îmbunătățirea toleranței la SO2 a electrocatalizatorilor de reducere a CO2 utilizând designul heterojoncției polimer/catalizator/ionomer” de Panagiotis Papangelakis, Rui Kai Miao, Ruihu Lu, Hanqi Liu, Shi Wang, Adnan Ozden, Shijie Liu și Ning Sun, Colin B. O „Brien, Yongfeng Hu, Mohsen Shakouri, Qinfeng Xiao, Mingsha Li, Behrouz Khater, Jian’an Eric Huang, Yakun Wang, Yu-Celin Xiao, Feng Li, Ali Shaisteh Zarate, Qiang Zhang, Pingyu Liu, Kevin Golovin și Jin Wei Hao, Hongjian Liang, Xiyun Wang, Jun Li, Edward H. Sargent și David Sinton, 4 iulie 2024, Energia naturii.
DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9