Versterkt met ijzer:het is niet alleen meer voor ontbijtgranen. Onderzoekers van de Universiteit van Illinois hebben een eenvoudigere methode aangetoond om ijzer aan kleine koolstofbolletjes toe te voegen om katalytische materialen te maken die het potentieel hebben om verontreinigingen uit gas of vloeistof te verwijderen.

Hoogleraar civiele techniek en milieutechniek Mark Rood, afgestudeerde student John Atkinson en hun team beschreven hun techniek in het tijdschrift Koolstof .

Koolstofstructuren kunnen een draagvlak zijn voor katalysatoren, zoals ijzer en andere metalen. IJzer is een gemakkelijk verkrijgbare, goedkope katalysator met mogelijke katalytische toepassingen voor brandstofcellen en milieutoepassingen voor het adsorberen van schadelijke chemicaliën, zoals arseen of koolmonoxide. Onderzoekers produceren een koolstofmatrix met veel poriën of tunnels, als een spons. Het grote oppervlak dat door de poriën wordt gecreëerd, biedt plaatsen om kleine ijzerdeeltjes door de matrix te verspreiden.

Een veelvoorkomende koolstofbron is steenkool. Typisch, wetenschappers wijzigen op steenkool gebaseerde materialen in zeer poreuze actieve kool en voegen vervolgens een katalysator toe. Het meerstappenproces kost tijd en enorme hoeveelheden energie. In aanvulling, materialen gemaakt met steenkool worden geplaagd door as, die sporen van andere metalen kan bevatten die de reactiviteit van de op koolstof gebaseerde katalysator verstoren.

Het team van Illinois is asvrij, goedkoop proces haalt zijn koolstof uit suiker in plaats van steenkool.

In één continu proces, het produceert kleine, micrometergrote bollen van poreuze, sponsachtige koolstof ingebed met ijzeren nanodeeltjes - allemaal in een tijdsbestek van een paar seconden.

"Dat is wat dit echt onderscheidt van andere technieken. Sommige mensen hebben verkoold en geïmpregneerd met ijzer, maar ze hebben geen oppervlakte. Andere mensen hebben een oppervlakte maar konden het niet met ijzer vullen, " zei Atkinson. "Onze techniek levert zowel het koolstofoppervlak als de ijzeren nanodeeltjes."

De onderzoekers bouwden voort op een techniek genaamd ultrasone spray pyrolyse (USP), ontwikkeld in het laboratorium van U. of I. chemieprofessor Kenneth Suslick in 2005. Suslick gebruikte een huishoudelijke luchtbevochtiger om fijne nevel te maken van een koolstofrijke oplossing, vervolgens de mist door een extreem hete oven geleid, die het water uit elke druppel verdampte en klein achterliet, zeer poreuze koolstofbollen.

Atkinson gebruikte USP om zijn koolstofbollen te maken, maar voegde een ijzerhoudend zout toe aan een koolstofrijke suikeroplossing. Wanneer de mist in de oven wordt geleid, de hitte stimuleert een chemische reactie tussen de oplossingsingrediënten die koolstofbollen creëert met ijzerdeeltjes die overal verspreid zijn.

"We konden profiteren van de USP-techniek van Dr. Suslick, en we bouwen erop voort door tegelijkertijd de poreuze koolstoffen te impregneren met metalen nanodeeltjes, " zei Atkinson. "Het is eenvoudig omdat het continu is. We kunnen de koolstof isoleren, poriën toevoegen, en impregneer ijzer in de koolstofbollen in één enkele stap."

Een ander voordeel van de USP-techniek is de mogelijkheid om materialen te creëren die aan specifieke behoeften voldoen. Door het materiaal helemaal opnieuw te fabriceren, in plaats van te proberen kant-en-klare producten aan te passen, wetenschappers en ingenieurs kunnen materialen ontwikkelen voor specifieke probleemoplossende scenario's.

"Direct, je haalt steenkool uit de grond en past het aan. Het is moeilijk om het aan te passen om een ​​bepaald luchtkwaliteitsprobleem op te lossen, Rood zei. "We kunnen dit nieuwe materiaal gemakkelijk veranderen door hoe het wordt geactiveerd om het oppervlak en de hoeveelheid geïmpregneerd ijzer aan te passen. Deze methode is eenvoudig, flexibel en op maat."

Volgende, de onderzoekers gaan toepassingen voor het materiaal verkennen. Rood en Atkinson hebben twee subsidies ontvangen van de National Science Foundation om de koolstof-ijzeren bollen te ontwikkelen om stikstofmonoxide te verwijderen, kwik, en dioxine uit gasstromen – bioaccumulerende verontreinigende stoffen die zorgen baren als emissies uit verbrandingsbronnen.

Momenteel, de drie verontreinigende stoffen kunnen afzonderlijk worden aangepakt door op koolstof gebaseerde adsorbentia en katalysatoren, maar het Illinois-team en medewerkers in Taiwan hopen de adsorptie-eigenschappen van koolstof en de reactiviteit van ijzer te benutten om alle drie de verontreinigende stoffen tegelijkertijd uit gasstromen te verwijderen.

"We kijken naar het benutten van hun porositeit en, ideaal, ook hun katalytische toepassingen, " zei Atkinson. "Koolstof is een zeer veelzijdig materiaal. Wat ik in gedachten heb, is een multi-pollutant control waarbij je de porositeit en de katalysator kunt gebruiken om twee problemen tegelijk aan te pakken."