Wetenschap
Op weg naar duurzaamheid:koolstofdioxide en water omzetten in acetyleen
Het bereiken van duurzaamheid is vandaag de dag een van de meest dringende uitdagingen van de mensheid – en ook een van de moeilijkste. Om onze impact op het milieu te minimaliseren en een begin te maken met het ongedaan maken van de schade die de mensheid al heeft veroorzaakt, is het streven naar koolstofneutraliteit bij zoveel mogelijk economische activiteiten van het allergrootste belang. Helaas veroorzaakt de synthese van veel belangrijke chemicaliën nog steeds een hoge koolstofuitstoot.
Dit is het geval voor acetyleen (C2 H2 ), een essentiële koolwaterstof met een overvloed aan toepassingen. Dit licht ontvlambare gas wordt gebruikt voor lassen, industrieel snijden, metaalharden, warmtebehandelingen en andere industriële processen. Daarnaast is het een belangrijke voorloper bij de productie van kunstharsen en kunststoffen, waaronder PVC. Sinds de productie van C2 H2 fossiele brandstoffen als grondstof nodig heeft, is er dringend behoefte aan een milieuvriendelijker syntheseroute.
Tegen deze achtergrond heeft een onderzoeksteam, gebaseerd op een samenwerking tussen de academische wereld en de industrie tussen Doshisha University en Daikin Industries, Ltd., Japan, een nieuwe en veelbelovende strategie ontwikkeld om C2 te produceren H2 met behulp van koolstofdioxide (CO2 ) en water (H2 O) als grondstoffen.
Hun laatste onderzoek, waaraan assistent-professor Yuta Suzuki van het Harris Science Research Institute en professor Takuya Goto van het Department of Science of Environment and Mathematical Modeling van de Graduate School of Science and Engineering, beide aan de Doshisha University, en Tomohiro Isogai van het Technology and Innovation Center deelnamen bij Daikin Industries Ltd., is gepubliceerd in ACS Sustainable Chemistry &Engineering .
De voorgestelde aanpak is gebaseerd op de elektrochemische en chemische omzetting van CO2 in C2 H2 door gebruik te maken van gesmolten zouten op hoge temperatuur, namelijk chloridesmelten. Een belangrijk aspect van het proces is dat het metaalcarbiden, vaste stoffen bestaande uit koolstofatomen en metaalatomen, gebruikt als scharnierpunt in de conversie.
"In onze strategie is CO2 wordt eerst omgezet in metaalcarbiden zoals CaC2 en Li2 C2 , die zich op een van de elektroden afzetten", legt Dr. Suzuki uit. "Vervolgens reageren deze metaalcarbiden met H2 O, het genereren van C2 H2 gas."
Om met deze methode een hogere energie-efficiëntie te bereiken, moest het team verschillende configuraties testen, waaronder verschillende elektrodematerialen en gesmolten zoutsamenstellingen. Na een reeks uitgebreide experimenten, waaronder cyclische voltammetrie, koolstofkristalliniteitsanalyse en röntgendiffractie, stelden ze vast dat een NaCl−KCl−CaCl2 −CaO-smelt verzadigd met extra CaCl2 in een CO2 sfeer leverde de beste resultaten op. Deze specifieke smelt leidde tot de selectieve vorming van CaC2 rond de kathode, wat betere resultaten opleverde dan smeltingen met lithium.
Deze innovatieve strategie biedt belangrijke voordelen ten opzichte van conventionele syntheseroutes voor C2 H2 . Ten eerste kunnen de elektroden na een eenvoudige reconditioneringsbehandeling opnieuw worden gebruikt, aangezien de gewenste reactie plaatsvindt op de afgezette metaalcarbiden in plaats van rechtstreeks op de elektrodeoppervlakken. Een ander voordeel, en misschien wel het meest opvallende, is het directe gebruik van CO2 als grondstof voor de productie van een industrieel bruikbare en waardevolle chemische stof.
"De voorgestelde aanpak vertegenwoordigt een veelbelovende technologie voor het realiseren van een duurzame hulpbronnen- en energiecyclus zonder afhankelijk te zijn van fossiele brandstoffen", zegt prof. Goto. "In de toekomst zou dezelfde techniek kunnen worden gebruikt als koolstofnegatieve emissietechnologie door koolstofdioxide uit de lucht te halen en als grondstof te gebruiken, vooral in combinatie met directe luchtafvangprocessen."
Met een beetje geluk zal verder onderzoek naar deze opwindende methode leiden tot zowel economisch als ecologisch haalbare manieren om belangrijke harsen en chemicaliën uit CO2 te produceren. en de weg vrijmaken voor duurzame samenlevingen. Uiteindelijk zouden deze inspanningen ons in staat stellen om in harmonie met de omgeving te leven en tegelijkertijd veel van de positieve aspecten van onze moderne manier van leven te behouden.