Добавить новость
smi24.net
News in English
Январь
2024

Catalytic Combo Converts CO2 To Solid Carbon Nanofibers

0

Scientists at the U.S. Department of Energy’s (DOE) Brookhaven National Laboratory and Columbia University have developed a way to convert carbon dioxide (CO2), a potent greenhouse gas, into carbon nanofibers, materials with a wide range of unique properties and many potential long-term uses. Their strategy uses tandem electrochemical and thermochemical reactions run at relatively low temperatures and ambient pressure. As the scientists describe in the journal Nature Catalysis, this approach could successfully lock carbon away in a useful solid form to offset or even achieve negative carbon emissions.

“You can put the carbon nanofibers into cement to strengthen the cement,” said Jingguang Chen, a professor of chemical engineering at Columbia with a joint appointment at Brookhaven Lab who led the research. “That would lock the carbon away in concrete for at least 50 years, potentially longer. By then, the world should be shifted to primarily renewable energy sources that don’t emit carbon.”

As a bonus, the process also produces hydrogen gas (H2), a promising alternative fuel that, when used, creates zero emissions.

Capturing or converting carbon

The idea of capturing CO2 or converting it to other materials to combat climate change is not new. But simply storing CO2 gas can lead to leaks. And many CO2 conversions produce carbon-based chemicals or fuels that are used right away, which releases CO2 right back into the atmosphere.

“The novelty of this work is that we are trying to convert CO2 into something that is value-added but in a solid, useful form,” Chen said.

Such solid carbon materials—including carbon nanotubes and nanofibers with dimensions measuring billionths of a meter—have many appealing properties, including strength and thermal and electrical conductivity. But it’s no simple matter to extract carbon from carbon dioxide and get it to assemble into these fine-scale structures. One direct, heat-driven process requires temperatures in excess of 1,000 degrees Celsius.

“It’s very unrealistic for large-scale CO2 mitigation,” Chen said. “In contrast, we found a process that can occur at about 400 degrees Celsius, which is a much more practical, industrially achievable temperature.”

The tandem two-step 

The trick was to break the reaction into stages and to use two different types of catalysts—materials that make it easier for molecules to come together and react.

“If you decouple the reaction into several sub-reaction steps you can consider using different kinds of energy input and catalysts to make each part of the reaction work,” said Brookhaven Lab and Columbia research scientist Zhenhua Xie, lead author on the paper.

The scientists started by realizing that carbon monoxide (CO) is a much better starting material than CO2 for making carbon nanofibers (CNF). Then they backtracked to find the most efficient way to generate CO from CO2.

Earlier work from their group steered them to use a commercially available electrocatalyst made of palladium supported on carbon. Electrocatalysts drive chemical reactions using an electric current. In the presence of flowing electrons and protons, the catalyst splits both CO2 and water (H2O) into CO and H2.

For the second step, the scientists turned to a heat-activated thermocatalyst made of an iron-cobalt alloy. It operates at temperatures around 400 degrees Celsius, significantly milder than a direct CO2-to-CNF conversion would require. They also discovered that adding a bit of extra metallic cobalt greatly enhances the formation of the carbon nanofibers.

“By coupling electrocatalysis and thermocatalysis, we are using this tandem process to achieve things that cannot be achieved by either process alone,” Chen said.

Catalyst characterization

To discover the details of how these catalysts operate, the scientists conducted a wide range of experiments. These included computational modeling studies, physical and chemical characterization studies at Brookhaven Lab’s National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)—using the Quick X-ray Absorption and Scattering (QAS) and Inner-Shell Spectroscopy (ISS) beamlines—and microscopic imaging at the Electron Microscopy facility at the Lab’s Center for Functional Nanomaterials (CFN).

On the modeling front, the scientists used “density functional theory” (DFT) calculations to analyze the atomic arrangements and other characteristics of the catalysts when interacting with the active chemical environment.

“We are looking at the structures to determine what are the stable phases of the catalyst under reaction conditions,” explained study co-author Ping Liu of Brookhaven’s Chemistry Division who led these calculations. “We are looking at active sites and how these sites are bonding with the reaction intermediates. By determining the barriers, or transition states, from one step to another, we learn exactly how the catalyst is functioning during the reaction.”

X-ray diffraction and x-ray absorption experiments at NSLS-II tracked how the catalysts change physically and chemically during the reactions. For example, synchrotron x-rays revealed how the presence of electric current transforms metallic palladium in the catalyst into palladium hydride, a metal that is key to producing both H2 and CO in the first reaction stage.

For the second stage, “We wanted to know what’s the structure of the iron-cobalt system under reaction conditions and how to optimize the iron-cobalt catalyst,” Xie said. The x-ray experiments confirmed that both an alloy of iron and cobalt plus some extra metallic cobalt are present and needed to convert CO to carbon nanofibers.

“The two work together sequentially,” said Liu, whose DFT calculations helped explain the process.

“According to our study, the cobalt-iron sites in the alloy help to break the C-O bonds of carbon monoxide. That makes atomic carbon available to serve as the source for building carbon nanofibers. Then the extra cobalt is there to facilitate the formation of the C-C bonds that link up the carbon atoms,” she explained.

Recycle-ready, carbon-negative

“Transmission electron microscopy (TEM) analysis conducted at CFN revealed the morphologies, crystal structures, and elemental distributions within the carbon nanofibers both with and without catalysts,” said CFN scientist and study co-author Sooyeon Hwang.

The images show that, as the carbon nanofibers grow, the catalyst gets pushed up and away from the surface. That makes it easy to recycle the catalytic metal, Chen said.

“We use acid to leach the metal out without destroying the carbon nanofiber so we can concentrate the metals and recycle them to be used as a catalyst again,” he said.

This ease of catalyst recycling, commercial availability of the catalysts, and relatively mild reaction conditions for the second reaction all contribute to a favorable assessment of the energy and other costs associated with the process, the researchers said.

“For practical applications, both are really important—the CO2 footprint analysis and the recyclability of the catalyst,” said Chen. “Our technical results and these other analyses show that this tandem strategy opens a door for decarbonizing CO2 into valuable solid carbon products while producing renewable H2.”

If these processes are driven by renewable energy, the results would be truly carbon-negative, opening new opportunities for CO2 mitigation.








5 необычных прыжков с парашютом, от которых захватывает дух

Как начать петь. Как начать петь песни. Как начать петь с нуля

Питчинг Релиза. Отправить релиз на Питчинг.

Сеть клиник «Будь Здоров» открыла первый травмпункт сети на базе клиники на Сретенке


Chat log from R20 of 2025: Richmond vs Collingwood

Weah’s agent: One Juventus director ‘is creating problems’

Kolo Muani: Juventus prepare new offer but face Man United and Chelsea threat

The Great Indian Kapil Show: Raghav Chadha reveals telling Parineeti Chopra to manifest he will never become the PM; says ‘Yeh jo bolti hai wo ulta hota hai’


Сунул нос не в своё дело: серийного нюхателя жоп снова поймали в Калифорнии

«Деловые Линии» сократили сроки авиаперевозок по более чем 4400 направлений по России

В Санкт-Петербурге обсудили внедрение ИИ в разработку и оптимальные корпоративные архитектуры

НПС построит два велопешеходных моста через Москву-реку


Первый трейлер Battlefield 6

Ninja Party можно предзаказать в мобильных маркетах с релизом в конце июля

Quarantine Zone creator reveals 3 reasons the zombie sim went viral on TikTok

«Если бы у Наруто и AC Shadows был ребёнок»: Разбор англоязычной версии Where Winds Meet



Optima Development: Новый сквер и фитнес-клуб

Где живут и на чем ездят самые аварийные водители России?

Росгвардия обеспечила безопасность празднования Дня ВМФ и футбольного матча в Москве

Адвокат Гаврилова раскрыла, чего добивается семья Тиммы после его смерти


Дебошир с авирейса Томск-Москва приговорен к году исправительных работ

Елена Игоревна Вселенная — писатель, публицист, автор масштабного многотомного проекта «Наследие России»

Пловец из Москвы скончался во время заплыва по Волге в Нижнем Новгороде

В Санкт-Петербурге обсудили внедрение ИИ в разработку и оптимальные корпоративные архитектуры


Третий класс пожарной опасности спрогнозировали в лесах Подмосковья до 30 июля

Мужчина умер в поезде, его тело оставили на скамейке до утра

В Кузбассе проходят торжества в честь празднования Крещения Руси

День российско-словенской дружбы отметили у Русской часовни на перевале Вршич


Боузкова одержала победу на теннисном турнире в Праге

Россиянин Сидоренко выиграл золото Универсиады в настольном теннисе

Чемпион Универсиады по настольному теннису Сидоренко будет выступать за японский клуб

Калинская пробилась в полуфинал турнира в Вашингтоне.


В КНДР сочли знаковым для двусторонних отношений открытие прямого авиасообщения с Россией

Температура морской воды на крымских пляжах: 28 июля

Третий класс пожарной опасности спрогнозировали в лесах Подмосковья до 30 июля

День российско-словенской дружбы отметили у Русской часовни на перевале Вршич


Музыкальные новости

Шнуров защитил русский мат от депутатов

Мик Джаггер отпраздновал 82-летие с молодой невестой и их сыном 

Генеральный подрядчик АО "АБЗ-Дорстрой" приступил к монтажу металлоконструкций навеса конечного остановочного пункта "Балканский".

Он не любил, когда наполовину: каким был Владимир Высоцкий


Optima Development: Новый сквер и фитнес-клуб

Адвокат Гаврилова раскрыла, чего добивается семья Тиммы после его смерти

Росгвардия обеспечила безопасность празднования Дня ВМФ и футбольного матча в Москве

Александр Михайлов (GSOC): «Безопасность IT-экосистемы — это зона нулевого доверия к подрядчикам»


Почему технологии ПВВК безопасны и эффективны, химия и экология воды по мнению Алексея Горшкова

Две Маши из калининградского «Локомотива» и пара из Кубы – победители этапа чемпионата России по пляжному волейболу в Барнауле

Питчинг Релиза. Отправить релиз на Питчинг.

Дорога любви: Жасмин представляет романтичный клип на песню «Ты и я»


Где живут и на чем ездят самые аварийные водители России?

НПС построит два велопешеходных моста через Москву-реку

Курс на мечту: «Национальная Лотерея» и РОЛЬФ вручили новый автомобиль победителю розыгрыша в честь запуска «Автомобильной лотереи «РОЛЬФ»

На МКАД авария затруднила движение авто


«Внезапно»: Запад встревожен новым указом Путина

«Подводная лодка, демонтрированная Путину, произвела шок на Западе»

СМИ: Путин на этой неделе отправил США ominous сигнал.

Путин в День ВМФ прибыл на территорию Главного Адмиралтейства в Санкт-Петербурге


Приговор экс-руководителю компании по производству вакцин против ковида был смягчен.



Ночные перекусы в отпуске: доктор Садыков о том, как они влияют на микрофлору и вес

Сеть клиник «Будь Здоров» открыла первый травмпункт сети на базе клиники на Сретенке

Вспомнить прошлое. Врач Романов объяснил появление метастазов через годы

Клиника гнатологии – лечение ВНЧС и восстановление прикуса


Киевский режим применил все 18 пакетов санкций ЕС

Запад ударил Зеленского по самому больному месту – кошельку: Киев показательно лишили 1,5 миллиардов помощи

Кто заставил Зеленского предложить России новый раунд переговоров: В Британии показали пальцем

Зеленский настаивает: встреча с Путиным до конца августа с участием Европы


Optima Development: Новый сквер и фитнес-клуб

Чемпионат по военно-спортивному многоборью среди росгвардейцев завершился в Грозном

Росгвардия обеспечила безопасность празднования Дня ВМФ и футбольного матча в Москве

Команда столичного управления МЧС России готовится к участию во Всероссийских соревнованиях по пожарно-спасательному спорту


Лукашенко получил приглашения от стран Латинской Америки и Азии для визитов.

«Беларусь-1»: Лукашенко дал интервью одному из американских СМИ

Лукашенко дал интервью одному из американских СМИ


Собянин в День работника МФЦ поздравил сотрудников центров госуслуг Москвы

Собянин: Большинство москвичей живет в пешей доступности от парков и скверов

Сергей Собянин. Главное за день

Собянин: На территории промзоны «Кирпичные улицы» будет создана социнфраструктура


Александр Михайлов (GSOC): «Безопасность IT-экосистемы — это зона нулевого доверия к подрядчикам»

В Феодосии ликвидировали пожар на площади

Зачем Минприроды Свердловской области планирует организовать полигон отходов на участке, где идёт поиск питьевой воды?

Самолёт совершил первый прямой авиарейс из Москвы в Пхеньян


В КНДР сочли знаковым для двусторонних отношений открытие прямого авиасообщения с Россией

На МКАД авария затруднила движение авто

Первый прямой рейс из Москвы приземлился в Пхеньяне

Мужчина умер в поезде, его тело оставили на скамейке до утра


Александр Цыбульский: "С Архангельской области началась история российского флота"

70 участников СВО в Архангельске показали мотивацию выше госслужащих — Цыбульский

В Архангельске представили киноальманах «Север, я люблю тебя!» по произведениям современных писателей

В музее-заповеднике «Архангельское» пройдут «Jazzовые сезоны»


В Севастополе пройдет масштабная выставка картин Александра Дейнеки

Прогноз погоды в Крыму на 27 июля

В Крыму из-за дыма от пожара столкнулись девять автомобилей

Сколько пассажиров прибывают в Крым летом на поездах ежедневно


В Кузбассе проходят торжества в честь празднования Крещения Руси

Воздушный коллапс: челябинцы не могут летать в Москву и обратно

День российско-словенской дружбы отметили у Русской часовни на перевале Вршич

Мужчина умер в поезде, его тело оставили на скамейке до утра














СМИ24.net — правдивые новости, непрерывно 24/7 на русском языке с ежеминутным обновлением *