Mineral tanah yang tersebar luas, α-besi-(III) oksihidroksida, didapati sebagai pemangkin yang boleh dikitar semula untuk fotoreduksi karbon dioksida kepada asid formik. Kredit: Prof. Kazuhiko Maeda
Fotoreduksi CO2 kepada bahan api yang boleh diangkut seperti asid formik (HCOOH) adalah cara yang baik untuk memerangi peningkatan tahap CO2 di atmosfera. Bagi membantu tugasan ini, satu pasukan penyelidikan di Institut Teknologi Tokyo memilih mineral berasaskan besi yang sedia ada dan memuatkannya ke atas sokongan alumina untuk membangunkan pemangkin yang boleh menukar CO2 kepada HCOOH dengan cekap, selektiviti kira-kira 90%!
Kenderaan elektrik merupakan pilihan yang menarik bagi kebanyakan orang, dan sebab utamanya ialah ia tidak mempunyai pelepasan karbon. Walau bagaimanapun, kelemahan besar bagi kebanyakan orang ialah kekurangan jarak dan masa pengecasan yang lama. Di sinilah bahan api cecair seperti petrol mempunyai kelebihan yang besar. Ketumpatan tenaga yang tinggi bermakna jarak jauh dan pengisian bahan api yang cepat.
Beralih daripada petrol atau diesel kepada bahan api cecair yang berbeza boleh menghapuskan pelepasan karbon sambil mengekalkan kelebihan bahan api cecair. Dalam sel bahan api, sebagai contoh, asid formik boleh menggerakkan enjin sambil melepaskan air dan karbon dioksida. Walau bagaimanapun, jika asid formik dihasilkan dengan mengurangkan CO2 atmosfera kepada HCOOH, maka satu-satunya output bersih ialah air.
Peningkatan tahap karbon dioksida di atmosfera kita dan sumbangannya kepada pemanasan global kini menjadi berita biasa. Ketika para penyelidik bereksperimen dengan pendekatan yang berbeza untuk masalah ini, penyelesaian yang berkesan muncul—menukarkan karbon dioksida berlebihan di atmosfera menjadi bahan kimia yang kaya dengan tenaga.
Penghasilan bahan api seperti asid formik (HCOOH) melalui fotoreduksi CO2 di bawah cahaya matahari telah menarik banyak perhatian baru-baru ini kerana proses ini mempunyai manfaat berganda: ia mengurangkan pelepasan CO2 berlebihan dan juga membantu meminimumkan kekurangan tenaga yang kita hadapi sekarang. Sebagai pembawa hidrogen yang sangat baik dengan ketumpatan tenaga yang tinggi, HCOOH boleh membekalkan tenaga melalui pembakaran sambil hanya melepaskan air sebagai hasil sampingan.
Untuk menjadikan penyelesaian yang lumayan ini satu kenyataan, saintis telah membangunkan sistem fotopemangkin yang mengurangkan karbon dioksida dengan bantuan cahaya matahari. Sistem ini terdiri daripada substrat penyerap cahaya (iaitu, fotosensitizer) dan pemangkin yang membolehkan pemindahan elektron berganda yang diperlukan untuk pengurangan CO2 kepada HCOOH. Dan dengan itu mula mencari pemangkin yang sesuai dan cekap!
Pengurangan karbon dioksida secara fotopemangkin menggunakan infografik sebatian yang biasa digunakan. Kredit: Profesor Kazuhiko Maeda
Disebabkan kecekapan dan potensi kebolehkitaran semulanya, pemangkin pepejal dianggap sebagai calon terbaik untuk tugasan ini, dan selama ini, keupayaan pemangkinan bagi banyak rangka kerja logam-organik (MOF) berasaskan kobalt, mangan, nikel dan besi telah diterokai, antaranya yang kedua mempunyai beberapa kelebihan berbanding logam lain. Walau bagaimanapun, kebanyakan pemangkin berasaskan besi yang dilaporkan setakat ini hanya menghasilkan karbon monoksida sebagai produk utama, bukan HCOOH.
Walau bagaimanapun, masalah ini dapat diselesaikan dengan cepat oleh pasukan penyelidik di Institut Teknologi Tokyo (Tokyo Tech) yang diketuai oleh Profesor Kazuhiko Maeda. Dalam satu kajian baru-baru ini yang diterbitkan dalam jurnal kimia Angewandte Chemie, pasukan tersebut menunjukkan pemangkin berasaskan besi yang disokong alumina (Al2O3) menggunakan α-besi(III) oksihidroksida (α-FeO​​​ OH; geotit). Pemangkin α-FeO​​​OH/Al2O3 yang baharu mempamerkan prestasi penukaran CO2 kepada HCOOH yang sangat baik dan kebolehkitaran semula yang sangat baik. Apabila ditanya tentang pilihan pemangkin mereka, Profesor Maeda berkata: “Kami ingin meneroka unsur yang lebih banyak sebagai pemangkin dalam sistem fotoreduksi CO2. Kami memerlukan pemangkin pepejal yang aktif, boleh dikitar semula, tidak toksik dan murah. Itulah sebabnya kami memilih mineral tanah yang tersebar luas seperti goethit untuk eksperimen kami.”
Pasukan itu menggunakan kaedah pengimpregnasian mudah untuk mensintesis pemangkin mereka. Mereka kemudian menggunakan bahan Al2O3 yang disokong besi untuk mengurangkan CO2 secara fotopemangkin pada suhu bilik dengan kehadiran fotosensitizer berasaskan rutenium (Ru), penderma elektron dan cahaya nampak dengan panjang gelombang melebihi 400 nanometer.
Hasilnya sangat menggalakkan. Selektiviti sistem mereka untuk produk utama HCOOH adalah 80–90% dengan hasil kuantum sebanyak 4.3% (menunjukkan kecekapan sistem).
Kajian ini membentangkan mangkin pepejal berasaskan besi yang pertama seumpamanya yang boleh menghasilkan HCOOH apabila dipasangkan dengan fotosensitizer yang cekap. Ia juga membincangkan kepentingan bahan sokongan yang betul (Al2O3) dan kesannya terhadap tindak balas penurunan fotokimia.
Wawasan daripada kajian ini boleh membantu membangunkan pemangkin bebas logam mulia baharu untuk fotoreduksi karbon dioksida kepada bahan kimia berguna yang lain. “Kajian kami menunjukkan bahawa laluan ke arah ekonomi tenaga hijau tidak rumit. Kaedah penyediaan pemangkin yang mudah pun boleh menghasilkan keputusan yang hebat, dan diketahui umum bahawa sebatian yang banyak terdapat di bumi, jika disokong oleh sebatian seperti alumina, boleh digunakan sebagai pemangkin terpilih untuk pengurangan CO2,” simpul Prof. Maeda.
Rujukan: "Alfa-Iron (III) Oxyhydroxide yang Disokong Alumina sebagai Pemangkin Pepejal Boleh Kitar Semula untuk Pengurangan Foto CO2 di bawah Cahaya Kelihatan" oleh Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu, Prof. 12 Mei 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
"Di situlah bahan api cecair seperti petrol mempunyai kelebihan yang besar. Ketumpatan tenaganya yang tinggi bermakna jarak jauh dan pengisian bahan api yang cepat."
Bagaimana pula dengan beberapa nombor? Bagaimanakah ketumpatan tenaga asid formik berbanding dengan petrol? Dengan hanya satu atom karbon dalam formula kimia, saya ragu ia akan menyamai petrol.
Selain itu, baunya sangat toksik dan, sebagai asid, ia lebih menghakis daripada petrol. Ini bukanlah masalah kejuruteraan yang tidak dapat diselesaikan, tetapi melainkan asid formik menawarkan kelebihan yang ketara dalam meningkatkan jarak dan mengurangkan masa mengisi minyak bateri, ia mungkin tidak berbaloi dengan usaha yang dilakukan.
Jika mereka merancang untuk mengekstrak goethit dari tanah, ia akan menjadi operasi perlombongan intensif tenaga dan berpotensi merosakkan alam sekitar.
Mereka mungkin menyebut banyak goethit di dalam tanah kerana saya mengesyaki ia memerlukan lebih banyak tenaga untuk mendapatkan bahan mentah yang diperlukan dan bertindak balas untuk mensintesis goethit.
Adalah perlu untuk melihat keseluruhan kitaran hayat proses tersebut dan mengira kos tenaga untuk semuanya. NASA tidak menemui apa-apa yang dipanggil pelancaran percuma. Pihak lain perlu mengingati perkara ini.
SciTechDaily: Pusat berita teknologi terbaik sejak tahun 1998. Ikuti perkembangan berita teknologi terkini melalui e-mel atau media sosial.
Hanya memikirkan tentang rasa BBQ yang berasap dan memabukkan sudah cukup untuk membuat kebanyakan orang terliur. Musim panas telah tiba, dan bagi kebanyakan orang…