Onderzoekers hebben een belangrijke hindernis opgelost in groenere productie, koolstofafvang, energieopslag en gaszuivering - met behulp van metaaloxiden.

Metaaloxiden zijn verbindingen die een cruciale rol spelen in processen die koolstofdioxide (CO₂ .) verminderen ) uitstoot. Deze processen omvatten het afvangen, gebruiken en opslaan van koolstof (CCUS), het zuiveren en recyclen van inerte gassen bij de productie van zonnepanelen, thermochemische energieopslag en het produceren van waterstof voor energie.

Deze processen zijn gebaseerd op reacties waarbij metaaloxiden elektronen winnen en verliezen, ook wel redoxreacties genoemd. De prestatie van metaaloxiden lijdt echter onder redoxreacties bij de hoge temperaturen die vereist zijn voor chemische productie.

Nu heeft een team onder leiding van Imperial College London een nieuwe materiaalontwerpstrategie ontwikkeld die op koper gebaseerde metaaloxiden produceert die beter presteren onder hoge temperaturen. De technologie heeft al een wereldwijde impact op argonrecycling in de productie van zonnepanelen en zal naar verwachting helpen om nog meer energie te halen uit bestaande energietechnologieën die de klimaatcrisis bestrijden.

Senior auteur Dr. Qilei Song, van Imperial's Department of Chemical Engineering, zegt dat "naarmate de wereld overgaat naar netto nul, we meer innovatieve industriële processen nodig hebben voor decarbonisatie. Om de energiezekerheid te verbeteren, moeten we de elektriciteitsvoorziening diversifiëren, van hernieuwbare energieopwekking en opslag voor schoon gebruik van fossiele brandstoffen met CCUS-technologieën. Onze verbeterde metaaloxiden hebben een groot potentieel voor gebruik in de energieprocessen die ons helpen om netto nul te bereiken."

Het artikel is gepubliceerd in Nature Communications .

Een proces ongedaan maken

Metaaloxiden spelen een hoofdrol in een relatief nieuw proces dat chemische looping-verbranding (CLC) wordt genoemd.

CLC is een alternatieve manier om fossiele brandstoffen te verbranden die metaaloxiden, zoals koperoxiden, gebruikt om zuurstof uit de lucht te transporteren om met de brandstof te reageren. De reactie produceert CO₂ en stoom, die wordt gecondenseerd om de efficiënte afvang van CO₂ . mogelijk te maken om te voorkomen dat het in de atmosfeer komt

Door de CO₂ . vast te leggen dat wordt geproduceerd, kan CLC mensen helpen om op een schonere manier fossiele brandstoffen te gebruiken, en het wordt al gebruikt in de EU, de VS en China.

Een belangrijk probleem dat CLC echter heeft weerhouden van gebruik op grotere schaal, is het onvermogen van metaaloxiden om goede zuurstofafgevende prestaties te behouden gedurende meerdere redoxcycli bij hoge temperaturen.

Om het probleem op te lossen, onderzochten de onderzoekers de fundamentele structuren van de metaaloxiden die in CLC worden gebruikt, redenerend dat de chemie van de voorloper van metaaloxiden slecht werd begrepen, wat hun rationele ontwerp beperkte.

Co-hoofdauteur Michael High, Ph.D. kandidaat bij Imperial's Department of Chemical Engineering, zegt dat "om de vraag op te lossen hoe metaaloxiden hun prestaties behouden, we hebben gekeken naar de basis van de chemische processen die betrokken zijn bij CLC. Dit is een belangrijk voorbeeld van het combineren van fundamenteel onderzoek en slim ontwerp om te produceren een strategie die toepasbaar is op een breed scala aan engineeringprocessen."

Ze gebruikten een alternatieve manier om de metaaloxidestructuur te construeren uit een bekende voorloper bestaande uit koper-magnesium-aluminium gelaagde dubbele hydroxiden (LDH's). Door de chemie van LDH-precursoren aan te passen, ontdekten onderzoekers dat ze metaaloxiden konden produceren die nog steeds goed konden presteren onder opmerkelijk hoge temperaturen. Ze toonden dit aan door de oxiden gedurende 65 uur door 100 chemische cycli te laten gaan in een veelgebruikt type reactor, bekend als een wervelbedreactor.

Hun grotere vermogen om hitte te weerstaan, betekent dat metaaloxiden die op deze manier worden geproduceerd, kunnen worden gebruikt om meer energie vrij te maken van het zuiveren en recyclen van inerte gassen zoals argon bij de productie van zonnepanelen, het opvangen en opslaan van koolstof, chemische energieopslag en het produceren van schone waterstof. Om dit aan te tonen, hebben de onderzoekers de productie van metaaloxiden voor gebruik in wervelbedreactoren opgeschaald. Ze ontdekten dat het maken van deze materialen eenvoudig en gemakkelijk geschikt is voor opschaling met behulp van bestaande industriële productiemethoden.

Senior auteur professor Paul Fennell, ook van het Department of Chemical Engineering, zegt dat "de wereld tegen 2050 netto nul koolstofemissies moet bereiken. Hernieuwbare energiebronnen ontwikkelen zich snel, maar op korte termijn moeten we kosteneffectieve technologieën voor het opvangen van koolstof ontwikkelen die kan worden toegepast om de industrie koolstofarm te maken. Ons werk zal helpen bij het oplossen van deze wereldwijde uitdaging."

Vervolgens zullen de onderzoekers de stabiliteit op lange termijn van de materialen bestuderen tijdens de verbranding van verschillende soorten brandstoffen, nieuwe toepassingen voor thermochemische energieopslag onderzoeken en de benadering uitbreiden naar andere metaaloxidesystemen voor het produceren van schone waterstof via thermochemische redoxcycli. + Verder verkennen

Team maakt kaart voor productie van milieuvriendelijke metalen