Originalkonstverk från University of Pittsburgh som visar en kopparbaserad bimetallisk nanopartikel designad för att adsorbera och aktivera koldioxid dök upp på ChemSusChems omslag i april 2018. Kredit:Swanson School of Engineering/James Dean
En färsk artikel i tidskriften hållbar kemi ChemSusChem avslöjade att forskare vid University of Pittsburgh "dopar" nanopartiklar för att förbättra deras förmåga att fånga upp koldioxid och tillhandahålla en råkolkälla för industriella processer. Inte att förväxla med dess negativa användning inom friidrott, "dopning" inom kemiteknik avser tillsats av ett ämne i ett annat material för att förbättra dess prestanda.
Tillsammans med globala temperaturer, forskning om avskiljning av koldioxid (CO 2 ) ökar. Mängden CO 2 i atmosfären har nått en historisk topp på 408 delar per miljon, enligt de senaste mätningarna från NASA. Tidigare studier har visat sambandet mellan växthusgaser som CO 2 och den uppvärmande trenden, som började runt 1900-talets början.
"Många av våra industriella processer bidrar till den alarmerande mängden CO 2 i atmosfären, så vi måste utveckla ny teknik för att ingripa, " säger Giannis Mpourmpakis, biträdande professor i kemi- och petroleumteknik vid Pitt's Swanson School of Engineering. "Att fånga CO 2 från atmosfären och omvandling till användbara kemikalier kan vara både miljömässigt och industriellt fördelaktigt. "
Dr. Mpourmpakis var medförfattare till studien med titeln "Design av kopparbaserade bimetalliska nanopartiklar för koldioxidadsorption och aktivering" i ChemSusChem , med andra forskare vid Pitts institution för kemi- och petroleumteknik inklusive professor Götz Veserand tre Ph.D. studenter:James Dean, Natalie Austin, och Yahui Yang. En konstnärlig skildring av de zirkoniumdopade kopparnanomaterialen dök upp på ett av tidskriftens omslag till Volym 11, Nummer 7 i april 2018.
Genom en serie datorsimuleringar och labbexperiment, forskarna konstruerade och utvecklade en stabil katalysator för insamling och aktivering av CO 2 genom att dopa kopparnanopartiklar med zirkonium. Forskarna tror att nanopartiklarna har stor potential för att minska koldioxidavtrycket från vissa processer som förbränning av fossila bränslen. Dock, CO 2 molekyler är ganska ovilliga att förändras.
"CO 2 är en mycket stabil molekyl som måste "aktiveras" för att omvandla den. Denna aktivering sker genom att binda CO 2 till katalysatorställen som gör kol-syrebindningen mindre stabil. Våra experiment bekräftade de beräkningskemiska beräkningarna i Mpourmpakis-gruppen att dopning av koppar med zirkonium skapar en bra kandidat för att försvaga CO 2 obligationer, " förklarar Dr Veser.
Mpourmpakis grupp använde beräkningskemi för att simulera hundratals potentiella experiment mycket snabbare och billigare än traditionella labbmetoder och identifierade den mest lovande dopingkandidaten som sedan experimentellt verifierades.
Kopparnanopartiklar är väl lämpade för omvandling av CO 2 till användbara kemikalier eftersom de är billiga, och de är utmärkta hydreringskatalysatorer. Genom hydrogenering, CO 2 kan omvandlas till högvärdiga kemikalier som metanol (CH 3 OH) eller metan (CH 4 ). Tyvärr, omvandla CO 2 kräver också dess aktivering som koppar inte kan leverera. Zirkonium kommer bra överens med koppar och aktiverar naturligt CO 2 .
"Att ha ett effektivt dopmedel, du måste ha platser på katalysatorytan som skickar elektroner till CO 2 , " säger Dr Mpourmpakis. "Dopmedlet ändrar de elektroniska egenskaperna hos material, och vi fann att zirkonium är särskilt effektivt för att aktivera CO 2 ."
Pitt-forskarna testade ett antal olika nanopartiklar och fann att de zirkoniumdopade koppar-nanopartiklarna var särskilt lovande katalysatorer för hydrogenering av CO 2 och har redan börjat testa deras effektivitet.
