Förstärkt med järn:Det är inte bara för frukostflingor längre. Forskare från University of Illinois har visat en enklare metod för att lägga till järn till små kolsfärer för att skapa katalytiska material som har potential att ta bort föroreningar från gas eller vätska.

Civil- och miljöteknikprofessor Mark Rood, doktoranden John Atkinson och deras team beskrev sin teknik i journalen Kol .

Kolstrukturer kan vara en stödbas för katalysatorer, som järn och andra metaller. Järn är ett lättillgängligt, lågkostnadskatalysator med möjliga katalytiska tillämpningar för bränsleceller och miljötillämpningar för att adsorbera skadliga kemikalier, såsom arsenik eller kolmonoxid. Forskare producerar en kolmatris som har många porer eller tunnlar, som en svamp. Den stora ytan som skapas av porerna ger platser för att sprida små järnpartiklar genom matrisen.

En vanlig kolkälla är kol. Vanligtvis, forskare modifierar kolbaserade material till mycket poröst aktivt kol och lägger sedan till en katalysator. Flerstegsprocessen tar tid och enorma mängder energi. Dessutom, material gjorda med kol plågas av aska, som kan innehålla spår av andra metaller som stör reaktiviteten hos den kolbaserade katalysatorn.

Illinois-teamet är askfritt, billiga process tar sitt kol från socker snarare än kol.

I en kontinuerlig process, den producerar små, mikrometerstora sfärer av porösa, svampigt kol inbäddat med järnnanopartiklar – allt inom loppet av några sekunder.

"Det är det som verkligen skiljer det här från andra tekniker. Vissa människor har förkolnat och impregnerat med järn, men de har ingen yta. Andra människor har yta men kunde inte ladda den med järn, Atkinson sa. "Vår teknik ger både kolytan och järnnanopartiklarna."

Forskarna byggde på en teknik som kallas ultraljudsspraypyrolys (USP), utvecklad i U. of I. kemiprofessor Kenneth Suslicks labb 2005. Suslick använde en hushållsluftfuktare för att göra fin dimma från en kolrik lösning, ledde sedan dimman genom en extremt varm ugn, som förångade vattnet från varje droppe och lämnade små, mycket porösa kolsfärer.

Atkinson använde USP för att göra sina kolsfärer, men tillsatte ett järnhaltigt salt till en kolrik sockerlösning. När dimman leds in i ugnen, värmen stimulerar en kemisk reaktion mellan lösningens ingredienser som skapar kolsfärer med järnpartiklar utspridda.

"Vi kunde dra nytta av Dr Suslicks USP-teknik, och vi bygger vidare på det genom att samtidigt impregnera de porösa kolen med metallnanopartiklar, " Atkinson sa. "Det är enkelt eftersom det är kontinuerligt. Vi kan isolera kolet, lägga till porer, och impregnera järn i kolsfärerna i ett enda steg."

En annan fördel med USP-tekniken är förmågan att skapa material för att möta särskilda behov. Genom att tillverka materialet från grunden, istället för att försöka modifiera hyllprodukter, forskare och ingenjörer kan utveckla material för specifika problemlösningsscenarier.

"Just nu, du tar upp kol ur marken och modifierar det. Det är svårt att skräddarsy den för att lösa ett visst luftkvalitetsproblem, ", sa Rood. "Vi kan lätt ändra detta nya material genom hur det aktiveras för att skräddarsy dess yta och mängden impregnerat järn. Denna metod är enkel, flexibel och skräddarsydd."

Nästa, forskarna kommer att utforska tillämpningar för materialet. Rood och Atkinson har fått två anslag från National Science Foundation för att utveckla kol-järnsfärerna för att ta bort kväveoxid, kvicksilver, och dioxin från gasströmmar – bioackumulerande föroreningar som har skapat oro som utsläpp från förbränningskällor.

För närvarande, de tre föroreningarna kan hanteras separat med kolbaserade adsorbenter och katalysatorer, men Illinois-teamet och samarbetspartners i Taiwan hoppas kunna utnyttja kolets adsorptionsegenskaper och järns reaktivitet för att ta bort alla tre föroreningarna från gasströmmar samtidigt.

"Vi tittar på att dra nytta av deras porositet och, helst, deras katalytiska tillämpningar också, ", sade Atkinson. "Kol är ett mycket mångsidigt material. Vad jag tänker på är en kontroll av flera föroreningar där du kan använda porositeten och katalysatorn för att ta itu med två problem samtidigt."