トロント大学工学部の研究者によって作成された新しく設計された触媒は、現行バージョンの性能を低下させる汚染物質が存在する場合でも、捕捉された炭素を価値のある製品に効率的に変換します。
この発見は、既存の工業プロセスに追加できる、より経済的に有利な炭素回収・貯蔵技術に向けた重要な一歩となる。
「今日、私たちは低炭素発電のためのより多くのより良い選択肢をこれまで以上に持っています」と、ある論文の主任著者であるデイビッド・シントン教授は述べています。紙に掲載されました自然エネルギー新しいことを説明するもの触媒。
「しかし、脱炭素化がより困難な経済分野はほかにもあります。たとえば、鉄鋼やセメント製造などです。これらの産業を支援するには、廃棄物の流れに含まれる炭素を回収し、アップグレードするための費用対効果の高い方法を発明する必要があります。」
シントンと彼のチームは、電解装置として知られる装置を使用して CO を変換します2そして電気はエチレンやエタノールなどの製品に使われます。これらの炭素ベースの分子は、燃料として販売したり、プラスチックなどの日用品を製造するための化学原料として使用したりできます。
電解槽内では、3つの要素-COが変換反応を起こします。2ガス、電子、水ベースの液体電解質が固体触媒の表面で集まります。
触媒は銅で作られることが多いですが、システムをさらに改善できる他の金属や有機化合物も含まれる場合があります。その機能は、反応を加速し、プロセス全体の効率を低下させる水素ガスなどの望ましくない副生成物の生成を最小限に抑えることです。
世界中の多くのチームが高性能触媒を製造していますが、そのほぼすべてが純粋な CO2 で動作するように設計されています。2餌。しかし、もし問題の炭素が煙突から来たものであれば、その原料は純粋なものではない可能性が高い。
「触媒設計者は一般に不純物を扱うことを好まないが、それには正当な理由がある」と博士のパノス・パパンゲラキス氏は言う。機械工学の学生で、新しい論文の共同主執筆者5人のうちの1人。
「SOなどの硫黄酸化物」2、表面に結合することで触媒を毒します。これにより、CO の発生場所が減少します2反応し、望ましくない化学物質の生成も引き起こします。
「それは非常に早く起こります。一部の触媒は純粋な原料で数百時間持続することができますが、これらの不純物が混入すると、数分以内に効率が 5% に低下する可能性があります。」
COから不純物を除去する確立された方法はありますが、2- 電解槽に供給する前に排ガスが豊富に含まれるため、時間がかかり、エネルギーが必要となり、コストが上昇します。炭素回収そしてアップグレード中。なお、SOの場合は、2、ほんの少しでも大きな問題になる可能性があります。
「ご持参いただいても、排気ガス10ppm未満、つまり供給原料の0.001%未満であっても、触媒は2時間以内に汚染される可能性があります」とパパンゲラキス氏は言う。
論文の中でチームは、SO に耐えられる、より弾力性のある触媒をどのように設計したかについて説明しています。2典型的な銅ベースの触媒に 2 つの重要な変更を加えることで、
片面には、テフロンとしても知られるポリテトラフルオロエチレンの薄い層を追加しました。この非粘着性の材料は触媒表面の化学反応を変化させ、SO を可能にする反応を妨げます。2中毒が起こること。
反対側には、燃料電池でよく使用される導電性ポリマーであるナフィオンの層を追加しました。この複雑な多孔質材料には、水を引き付ける親水性の領域と、水をはじく疎水性の領域がいくつか含まれています。この構造はSOを困難にします2触媒表面に到達します。
次にチームは、この触媒に二酸化炭素の混合物を供給しました。2など2後者の濃度は約 400 ppm で、産業廃棄物の流れに典型的です。このような厳しい条件下でも、新しい触媒は良好な性能を発揮しました。
「論文では、ファラデー効率（電子のうちのどれだけが目的の生成物に到達したかの尺度）である 50% を報告しており、これを 150 時間維持することができました」とパパンゲラキス氏は述べています。
「おそらく 75% または 80% のより高い効率で開始できる触媒がいくつかあります。しかし、繰り返しになりますが、それらを SO にさらすと、2数分以内、長くても数時間以内に、ほとんど何もなくなるまで低下します。私たちはそれに抵抗することができました。」
パパンゲラキス氏は、彼のチームのアプローチは触媒自体の組成に影響を与えないため、広く適用できるはずだと述べています。言い換えれば、すでに高性能触媒を完成させているチームは、同様のコーティングを使用して硫黄酸化物被毒に対する耐性を与えることができるはずです。
硫黄酸化物は一般的な廃棄物の流れにおいて最も困難な不純物ですが、それだけではなく、チームが次に注目しているのは一連の化学汚染物質です。
「窒素酸化物や酸素など、考慮すべき不純物は他にもたくさんあります」とパパンゲラキス氏は言う。
「しかし、このアプローチが硫黄酸化物に対して非常にうまく機能するという事実は、非常に有望です。この研究が行われる前は、CO をアップグレードする前に不純物を除去する必要があることは当然のことと考えられていました」2。私たちが示したのは、それらに対処する別の方法がある可能性があり、それによって多くの新しい可能性が開かれるということです。」
詳細情報:Panagiotis Papangelakis ら、SO の改善2CO許容量2ポリマー/触媒/アイオノマーヘテロ接合設計を使用した還元電極触媒、自然エネルギー（2024年）。DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9
引用:新しい汚染物質耐性触媒は煙突から炭素を直接回収するのに役立つ可能性がある (2024 年 7 月 5 日)2024 年 7 月 5 日に取得https://techxplore.com/news/2024-07-contaminant-tolerant-catalyst-capture-carbon.html より
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