ფართოდ გავრცელებული ნიადაგის მინერალი, α-რკინა-(III) ოქსიჰიდროქსიდი, აღმოჩნდა, რომ ნახშირორჟანგის ჭიანჭველმჟავად ფოტოაღდგენის გადამუშავებადი კატალიზატორია. კრედიტი: პროფესორი კაზუჰიკო მაედა
CO2-ის ფოტოაღდგენა ტრანსპორტირებად საწვავად, როგორიცაა ჭიანჭველმჟავა (HCOOH), ატმოსფეროში CO2-ის დონის მატებასთან საბრძოლველად კარგი საშუალებაა. ამ ამოცანის შესასრულებლად, ტოკიოს ტექნოლოგიური ინსტიტუტის კვლევითმა ჯგუფმა შეარჩია ადვილად ხელმისაწვდომი რკინაზე დაფუძნებული მინერალი და ჩატვირთა ის ალუმინის საყრდენზე, რათა შეექმნათ კატალიზატორი, რომელსაც შეუძლია CO2-ის ეფექტურად გარდაქმნა HCOOH-ად, დაახლოებით 90%-იანი სელექციურობით!
ელექტრომობილები ბევრი ადამიანისთვის მიმზიდველი ვარიანტია და ერთ-ერთი მთავარი მიზეზი ის არის, რომ მათ ნახშირორჟანგის გამონაბოლქვი არ აქვთ. თუმცა, ბევრისთვის დიდი ნაკლი მათი მცირე დიაპაზონი და ხანგრძლივი დატენვის დროა. სწორედ აქ აქვს დიდი უპირატესობა თხევად საწვავს, როგორიცაა ბენზინი. მათი მაღალი ენერგიის სიმკვრივე ნიშნავს დიდ დისტანციას და სწრაფ შევსებას.
ბენზინიდან ან დიზელიდან სხვა თხევად საწვავზე გადასვლამ შეიძლება შეამციროს ნახშირბადის გამოყოფა და ამავდროულად შეინარჩუნოს თხევადი საწვავის უპირატესობები. მაგალითად, საწვავის უჯრედში ჭიანჭველმჟავას შეუძლია ძრავის მუშაობა წყლისა და ნახშირორჟანგის გამოყოფის პარალელურად. თუმცა, თუ ჭიანჭველმჟავა წარმოიქმნება ატმოსფერული CO2-ის HCOOH-მდე აღდგენით, მაშინ ერთადერთი წმინდა გამომავალი წყალია.
ჩვენს ატმოსფეროში ნახშირორჟანგის დონის მატება და მისი წვლილი გლობალურ დათბობაში ახლა უკვე ჩვეულებრივი ამბავია. როდესაც მკვლევარებმა პრობლემის გადაჭრის სხვადასხვა მიდგომა გამოიყენეს, გაჩნდა ეფექტური გამოსავალი - ატმოსფეროში არსებული ჭარბი ნახშირორჟანგის ენერგიით მდიდარ ქიმიკატებად გადაქცევა.
მზის სინათლეზე CO2-ის ფოტოაღდგენით ჭიანჭველმჟავას (HCOOH) მსგავსი საწვავის წარმოებამ ბოლო დროს დიდი ყურადღება მიიპყრო, რადგან ამ პროცესს ორმაგი სარგებელი მოაქვს: ის ამცირებს CO2-ის ჭარბ გამოყოფას და ასევე ხელს უწყობს ენერგიის დეფიციტის მინიმუმამდე დაყვანას. როგორც მაღალი ენერგიის სიმკვრივის მქონე წყალბადის შესანიშნავ გადამტანს, HCOOH-ს შეუძლია ენერგიის მიწოდება წვის გზით, თანაპროდუქტის სახით მხოლოდ წყლის გამოყოფით.
ამ მომგებიანი გადაწყვეტის რეალობად ქცევისთვის, მეცნიერებმა შეიმუშავეს ფოტოკატალიზური სისტემები, რომლებიც მზის სინათლის დახმარებით ამცირებენ ნახშირორჟანგს. ეს სისტემა შედგება სინათლის შთამნთქმელი სუბსტრატისგან (ანუ ფოტოსენსიბილიზატორისგან) და კატალიზატორისგან, რომელიც უზრუნველყოფს CO2-ის HCOOH-მდე აღსადგენად საჭირო მრავალი ელექტრონის გადაცემას. და ამგვარად, დაიწყო შესაფერისი და ეფექტური კატალიზატორების ძებნა!
ნახშირორჟანგის ფოტოკატალიზური აღდგენა ხშირად გამოყენებული ნაერთების ინფოგრაფიკის გამოყენებით. კრედიტი: პროფესორი კაზუჰიკო მაედა
მათი ეფექტურობისა და პოტენციური გადამუშავებადობის გამო, მყარი კატალიზატორები ამ ამოცანისთვის საუკეთესო კანდიდატებად ითვლება და წლების განმავლობაში შესწავლილი იქნა კობალტის, მანგანუმის, ნიკელის და რკინაზე დაფუძნებული მეტალ-ორგანული ჩარჩოების (MOF) კატალიზური შესაძლებლობები, რომელთა შორისაც ამ უკანასკნელს სხვა ლითონებთან შედარებით გარკვეული უპირატესობები აქვს. თუმცა, დღემდე დაფიქსირებული რკინაზე დაფუძნებული კატალიზატორების უმეტესობა ძირითად პროდუქტად მხოლოდ ნახშირბადის მონოქსიდს წარმოქმნის და არა HCOOH-ს.
თუმცა, ეს პრობლემა სწრაფად გადაჭრა ტოკიოს ტექნოლოგიური ინსტიტუტის (Tokyo Tech) მკვლევართა ჯგუფმა, პროფესორ კაზუჰიკო მაედას ხელმძღვანელობით. ქიმიურ ჟურნალ Angewandte Chemie-ში გამოქვეყნებულ ბოლოდროინდელ კვლევაში, ჯგუფმა აჩვენა ალუმინის (Al2O3) საყრდენი რკინის კატალიზატორი α-რკინა(III) ოქსიჰიდროქსიდის (α-FeO​​​ OH; გეოთიტი) გამოყენებით. ახალი α-FeO​​​ OH/Al2O3 კატალიზატორი ავლენს CO2-ის HCOOH-ად გარდაქმნის შესანიშნავ მაჩვენებელს და შესანიშნავ გადამუშავებადობას. კატალიზატორის არჩევის შესახებ კითხვაზე პროფესორმა მაედამ უპასუხა: „ჩვენ გვსურს CO2 ფოტორედუქციის სისტემებში კატალიზატორების სახით უფრო გავრცელებული ელემენტების შესწავლა. ჩვენ გვჭირდება მყარი კატალიზატორი, რომელიც არის აქტიური, გადამუშავებადი, არატოქსიკური და იაფი. სწორედ ამიტომ ავირჩიეთ ჩვენი ექსპერიმენტებისთვის ფართოდ გავრცელებული ნიადაგის მინერალები, როგორიცაა გოეთიტი“.
კატალიზატორის სინთეზირებისთვის გუნდმა გამოიყენა გაჟღენთვის მარტივი მეთოდი. შემდეგ მათ გამოიყენეს რკინით შედგენილი Al2O3 მასალები CO2-ის ფოტოკატალიზურად შესამცირებლად ოთახის ტემპერატურაზე რუთენიუმზე დაფუძნებული (Ru) ფოტოსენსიბილიზატორის, ელექტრონული დონორის და 400 ნანომეტრზე მეტი ტალღის სიგრძის ხილული სინათლის თანაობისას.
შედეგები ძალიან იმედისმომცემია. მათი სისტემის სელექციურობა მთავარი პროდუქტის, HCOOH-ის მიმართ იყო 80–90%, კვანტური გამოსავლიანობით 4.3% (რაც მიუთითებს სისტემის ეფექტურობაზე).
ეს კვლევა წარმოადგენს რკინაზე დაფუძნებულ მყარ კატალიზატორს, რომელსაც შეუძლია HCOOH-ის გენერირება ეფექტურ ფოტოსენსიბილიზატორთან შეწყვილებისას. ასევე განხილულია შესაბამისი საყრდენი მასალის (Al2O3) მნიშვნელობა და მისი გავლენა ფოტოქიმიურ აღდგენის რეაქციაზე.
„ამ კვლევის შედეგად მიღებულმა მონაცემებმა შესაძლოა ხელი შეუწყოს ნახშირორჟანგის სხვა სასარგებლო ქიმიკატებად ფოტორედუქციისთვის ახალი, კეთილშობილი ლითონებისგან თავისუფალი კატალიზატორების შემუშავებას. ჩვენი კვლევა აჩვენებს, რომ მწვანე ენერგიის ეკონომიკისკენ მიმავალი გზა რთული არ არის. კატალიზატორის მომზადების მარტივ მეთოდებსაც კი შეუძლია შესანიშნავი შედეგების მოტანა და კარგად არის ცნობილი, რომ დედამიწაზე უხვად არსებული ნაერთები, თუ მათ მხარს დაუჭერენ ისეთი ნაერთები, როგორიცაა ალუმინი, შეიძლება გამოყენებულ იქნას CO2-ის შემცირების სელექციურ კატალიზატორად“, - ასკვნის პროფესორი მაედა.
გამოყენებული ლიტერატურა: „ალუმინის მხარდაჭერილი ალფა-რკინის (III) ოქსიჰიდროქსიდი, როგორც გადამუშავებადი მყარი კატალიზატორი CO2-ის ფოტორედუქციისთვის ხილული სინათლის ქვეშ“ Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Yoshinobu Kamakura, Prof. პროფესორი კაზუჰიკო მაედა, 2022 წლის 12 მაისი, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / ანი.202204948
„სწორედ აქ აქვს დიდი უპირატესობა თხევად საწვავს, როგორიცაა ბენზინი. მათი მაღალი ენერგიის სიმკვრივე ნიშნავს დიდ მანძილს და სწრაფ შევსებას.“
როგორია რამდენიმე ციფრი? როგორ შევადაროთ ჭიანჭველმჟავას ენერგიის სიმკვრივე ბენზინს? ქიმიურ ფორმულაში მხოლოდ ერთი ნახშირბადის ატომის შემცველობის გამო, მეეჭვება, რომ ის ბენზინს მიუახლოვდეს.
გარდა ამისა, სუნი ძალიან ტოქსიკურია და, როგორც მჟავა, ის უფრო კოროზიულია, ვიდრე ბენზინი. ეს არ არის გადაუჭრელი საინჟინრო პრობლემები, მაგრამ თუ ჭიანჭველმჟავა მნიშვნელოვან უპირატესობებს არ გვთავაზობს დიაპაზონის გაზრდისა და აკუმულატორის შევსების დროის შემცირების კუთხით, ის ალბათ ძალისხმევად არ ღირს.
თუ ისინი ნიადაგიდან გოეთიტის მოპოვებას გეგმავდნენ, ეს ენერგოინტენსიური სამთომოპოვებითი ოპერაცია იქნებოდა და პოტენციურად გარემოსთვის საზიანო იქნებოდა.
შეიძლება მათ ახსენონ ნიადაგში გოეთიტის დიდი შემცველობა, რადგან ვვარაუდობ, რომ საჭირო ნედლეულის მისაღებად და მათი გოეთიტის სინთეზირებისთვის რეაქციისთვის მეტი ენერგია იქნება საჭირო.
აუცილებელია პროცესის მთელი სასიცოცხლო ციკლის განხილვა და ყველაფრის ენერგიის ღირებულების გამოთვლა. NASA-მ ვერ აღმოაჩინა თავისუფალი გაშვების მსგავსი რამ. სხვებმა ეს უნდა გაითვალისწინონ.
SciTechDaily: საუკეთესო ტექნოლოგიური სიახლეების სახლი 1998 წლიდან. იყავით ინფორმირებული უახლესი ტექნოლოგიური სიახლეების შესახებ ელექტრონული ფოსტით ან სოციალური მედიის საშუალებით.
BBQ-ს შებოლილი და მათრობელა არომატების გახსენებაც კი საკმარისია იმისთვის, რომ ადამიანების უმეტესობას ნერწყვი აევსო. ზაფხული დადგა და ბევრისთვის...