Forskare har löst ett viktigt hinder inom grönare tillverkning, kolavskiljning, energilagring och gasrening – med hjälp av metalloxider.

Metalloxider är föreningar som spelar en avgörande roll i processer som minskar koldioxid (CO₂ ) utsläpp. Dessa processer inkluderar kolavskiljning, användning och lagring (CCUS), rening och återvinning av inerta gaser vid tillverkning av solpaneler, termokemisk energilagring och framställning av väte för energi.

Dessa processer är baserade på reaktioner där metalloxider får och förlorar elektroner, så kallade redoxreaktioner. Metalloxidernas prestanda lider emellertid under redoxreaktioner vid de höga temperaturer som krävs för kemisk tillverkning.

Nu har ett team under ledning av Imperial College London utvecklat en ny materialdesignstrategi som producerar kopparbaserade metalloxider som presterar bättre under höga temperaturer. Tekniken har redan en global inverkan på argonåtervinning vid tillverkning av solpaneler och förväntas hjälpa till att frigöra ännu mer kraft från befintlig energiteknik som bekämpar klimatkrisen.

Seniorförfattaren Dr. Qilei Song, från Imperials avdelning för kemiteknik, säger att "när världen övergår till nettonoll behöver vi fler innovativa industriella processer för avkarbonisering. För att öka energisäkerheten måste vi diversifiera elförsörjningen, från förnybar energiproduktion. och lagring för ren användning av fossila bränslen med CCUS-teknik. Våra förbättrade metalloxider har stor potential för användning i de energiprocesser som hjälper oss att nå nettonoll."

Uppsatsen publiceras i Nature Communications .

Avplocka en process

Metalloxider är nyckelspelare i en relativt ny process som kallas för förbränning av kemiska loopar (CLC).

CLC är ett alternativt sätt att bränna fossila bränslen som använder metalloxider, såsom kopparoxider, för att transportera syre från luften för att reagera med bränslet. Reaktionen ger CO₂ och ånga, som kondenseras för att möjliggöra effektiv avskiljning av CO₂ för att förhindra att den kommer in i atmosfären

Genom att fånga CO₂ som produceras kan CLC hjälpa människor att använda fossila bränslen på ett renare sätt, och används redan i EU, USA och Kina.

En nyckelfråga som har hållit tillbaka CLC från användning i större skala är metalloxidernas oförmåga att upprätthålla goda syreavgivande prestanda under flera redoxcykler vid höga temperaturer.

För att lösa problemet undersökte forskarna de grundläggande strukturerna för de metalloxider som används i CLC, med resonemang att prekursorkemin till metalloxider var dåligt förstått, vilket begränsade deras rationella design.

Medförfattare Michael High, Ph.D. kandidat vid Imperials avdelning för kemiteknik, säger att "för att lösa frågan om hur metalloxider bibehåller sin prestanda tittade vi på grunderna i de kemiska processer som är involverade i CLC. Detta är ett nyckelexempel på att kombinera grundläggande forskning och smart design för att producera en strategi som är tillämplig på ett brett spektrum av tekniska processer."

De använde ett alternativt sätt att konstruera metalloxidstrukturen från en välkänd prekursor som består av koppar-magnesium-aluminiumskiktade dubbelhydroxider (LDH). Genom att skräddarsy kemin hos LDH-prekursorer fann forskarna att de kunde producera metalloxider som fortfarande kunde prestera bra under anmärkningsvärt höga temperaturer. De visade detta genom att föra oxiderna genom 100 kemiska cykler i en mycket använd typ av reaktor, känd som en reaktor med fluidiserad bädd, under 65 timmar.

Deras större förmåga att motstå värme gör att metalloxider som produceras på detta sätt kan användas för att frigöra mer kraft från rening och återvinning av inerta gaser som argon vid tillverkning av solpaneler, avskiljning och lagring av kol, lagring av kemisk energi och framställning av rent väte. För att visa detta skalade forskarna upp produktionen av metalloxider för användning i reaktorer med fluidiserad bädd. De fann att att skapa dessa material är enkelt och lätt lämpat för uppskalning med hjälp av befintliga industriella tillverkningsmetoder.

Seniorförfattaren professor Paul Fennell, också vid institutionen för kemiteknik, säger att "världen måste nå netto noll koldioxidutsläpp till 2050. Förnybar energi utvecklas snabbt, men på kort sikt behöver vi utveckla kostnadseffektiva tekniker för avskiljning av koldioxid som kan användas för att minska koldioxidutsläppen i branschen. Vårt arbete kommer att hjälpa till att lösa denna globala utmaning."

Därefter kommer forskarna att studera materialens långsiktiga stabilitet under förbränning av olika typer av bränslen, utforska nya tillämpningar för termokemisk energilagring och utöka tillvägagångssättet till andra metalloxidsystem för att producera rent väte via termokemiska redoxcykler. + Utforska vidare

Team skapar karta för produktion av miljövänliga metaller