토론토 공과대학 연구진이 개발한 새로 설계된 촉매는 현재 버전의 성능을 저하시키는 오염 물질이 존재하는 경우에도 포집된 탄소를 귀중한 제품으로 효율적으로 변환합니다.
이번 발견은 기존 산업 공정에 추가할 수 있는 탄소 포집 및 저장을 위한 보다 경제적으로 유리한 기술을 향한 중요한 단계입니다.
"오늘날 우리는 저탄소 발전을 위한 그 어느 때보다 더 많은 더 나은 옵션을 갖고 있습니다."라고 수석 저자인 David Sinton 교수는 말합니다.종이에 출판됨자연 에너지새로운 것을 설명하는 것촉매.
"그러나 철강 및 시멘트 제조와 같이 탈탄소화하기 어려운 다른 경제 부문도 있습니다. 이러한 산업을 돕기 위해 우리는 폐기물 흐름에서 탄소를 포집하고 업그레이드하는 비용 효율적인 방법을 고안해야 합니다."
Sinton과 그의 팀은 CO를 변환하기 위해 전해조라고 알려진 장치를 사용합니다.2그리고 에틸렌이나 에탄올과 같은 제품에 전기를 공급합니다.이러한 탄소 기반 분자는 연료로 판매되거나 플라스틱과 같은 일상용품을 만들기 위한 화학 공급원료로 사용될 수 있습니다.
전해조 내부에서는 세 가지 원소...CO가 있을 때 전환 반응이 일어납니다.2가스, 전자 및 수성 액체 전해질이 고체 촉매 표면에 함께 모입니다.
촉매는 종종 구리로 만들어지지만 시스템을 더욱 향상시킬 수 있는 다른 금속이나 유기 화합물을 포함할 수도 있습니다.그 기능은 반응 속도를 높이고 전체 공정의 효율성을 감소시키는 수소 가스와 같은 바람직하지 않은 부산물의 생성을 최소화하는 것입니다.
전 세계의 많은 팀이 고성능 촉매를 생산했지만 거의 모든 팀이 순수한 CO로 작동하도록 설계되었습니다.2밥을 먹이다.그러나 문제의 탄소가 굴뚝에서 나온다면 사료는 전혀 순수하지 않을 가능성이 높습니다.
"촉매 설계자들은 일반적으로 불순물을 다루는 것을 좋아하지 않으며 그럴 만한 이유가 있습니다"라고 박사인 Panos Papangelakis는 말합니다.기계 공학 학생이자 새 논문의 공동 저자 5명 중 한 명입니다.
"SO와 같은 황산화물2, 표면에 결합하여 촉매를 중독시킵니다.이로 인해 CO에 대한 사이트가 더 적습니다.2반응하고 원하지 않는 화학 물질이 형성되기도 합니다.
"정말 빠르게 발생합니다. 일부 촉매는 순수한 공급물에서 수백 시간 동안 지속될 수 있지만 이러한 불순물을 도입하면 몇 분 안에 효율이 5%까지 떨어질 수 있습니다."
CO에서 불순물을 제거하는 잘 확립된 방법이 있지만2- 전해조에 공급되기 전에 풍부한 배기 가스로 인해 시간이 걸리고 에너지가 필요하며 비용이 증가합니다.탄소 포집그리고 업그레이드.게다가 SO의 경우2, 조금이라도 큰 문제가 될 수 있습니다.
"네가 가져가도배기 가스10ppm 미만, 즉 공급물의 0.001%까지 내려가도 촉매는 2시간 이내에 여전히 중독될 수 있습니다."라고 Papangelakis는 말합니다.
논문에서 팀은 SO에 견딜 수 있는 보다 탄력적인 촉매를 설계하는 방법을 설명합니다.2일반적인 구리 기반 촉매에 두 가지 주요 변경 사항을 적용했습니다.
한쪽에는 테플론이라고도 알려진 폴리테트라플루오로에틸렌의 얇은 층을 추가했습니다.이 붙지 않는 물질은 촉매 표면의 화학적 성질을 변화시켜 SO를 가능하게 하는 반응을 방해합니다.2중독이 일어나게 됩니다.
다른 면에는 연료전지에 자주 사용되는 전기 전도성 고분자인 나피온(Nafion) 층을 추가했습니다.이 복잡한 다공성 물질에는 친수성(물을 끌어당기는 의미) 일부 영역과 소수성(물을 밀어내는 영역)이 포함되어 있습니다.이 구조는 SO를 어렵게 만듭니다.2촉매 표면에 도달합니다.
그런 다음 팀은 이 촉매에 CO2 혼합물을 공급했습니다.2그래서2, 후자는 산업 폐기물 흐름의 전형적인 농도인 약 400ppm의 농도입니다.이러한 어려운 조건에서도 새로운 촉매는 좋은 성능을 발휘했습니다.
Papangelakis는 "논문에서 우리는 원하는 생성물에 도달한 전자의 수를 측정한 패러데이 효율(50%)을 보고했는데, 이를 150시간 동안 유지할 수 있었습니다"라고 Papangelakis는 말했습니다.
"75% 또는 80% 정도의 더 높은 효율에서 시작할 수 있는 촉매제가 있습니다. 하지만 다시 SO에 노출시키면2, 몇 분 또는 최대 몇 시간 내에 거의 아무것도 아닌 수준으로 떨어집니다.우리는 그것에 저항할 수 있었습니다."
Papangelakis는 그의 팀의 접근 방식이 촉매 자체의 구성에 영향을 미치지 않기 때문에 널리 적용될 수 있을 것이라고 말했습니다.즉, 이미 고성능 촉매를 완성한 팀은 유사한 코팅을 사용하여 황산화물 중독에 대한 저항성을 부여할 수 있어야 합니다.
황산화물은 일반적인 폐기물 흐름에서 가장 까다로운 불순물이지만 유일한 것은 아니며 팀이 다음으로 전환할 것은 전체 화학 오염물질입니다.
"질소 산화물, 산소 등과 같이 고려해야 할 다른 불순물이 많이 있습니다"라고 Papangelakis는 말합니다.
"그러나 이 접근 방식이 황산화물에 매우 효과적이라는 사실은 매우 유망합니다. 이 작업 전에는 CO를 업그레이드하기 전에 불순물을 제거해야 한다는 것이 당연하게 여겨졌습니다.2.우리가 보여준 것은 이를 처리하는 다른 방법이 있을 수 있으며, 이는 많은 새로운 가능성을 열어준다는 것입니다."
추가 정보:Panagiotis Papangelakis 외, SO 개선2CO의 내성2폴리머/촉매/이오노머 이종접합 설계를 사용한 환원 전기촉매,자연 에너지(2024).DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9
소환:새로운 오염 방지 촉매는 굴뚝에서 직접 탄소를 포집하는 데 도움이 될 수 있습니다(2024년 7월 5일)2024년 7월 5일에 확인함https://techxplore.com/news/2024-07-contaminant-tolerant-catalyst-capture-carbon.html에서
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