RW Space

Разве не было бы здорово, если бы мы могли создавать материал, необходимый для батарей, вытягивая углекислый газ прямо из воздуха?

Это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, но химики нашли способ.

Электролиз расплавленных солей включает в себя протыкание очень нагретых солей электродами.

Эта тщательная сборка молекул и электричества буквально вытягивает углекислый газ из воздуха, перестраивая связи между атомами углерода и кислорода, и переводя углерод в твердое состояние, такое как графит.

На протяжении десятилетий ученые задавались вопросом, что именно происходит на молекулярном уровне во время этой реакции при температуре 500 градусов по Цельсию (932 градуса по Фаренгейту).

Теперь они впервые смогли убедиться в этом сами.

В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, группа под руководством физика-химика Сандера Ратсо из Калифорнийского университета в Беркли описывает процесс, который позволил им отслеживать в режиме реального времени трансформацию материалов, а также обнаруживать колебательные режимы связей внутри молекул.

«Проще говоря, когда раньше мы готовили в закрытой духовке, мы вставили в нее окно», — рассказал Ратсо. НаукаАлерт.

«Понимание того, как протекает эта реакция и как структура углерода развивается с течением времени, является первым шагом в контроле и, в конечном итоге, в разработке структуры, возникающей в результате электролиза».

«Это крупная победа в более масштабных усилиях по синтезу критически важных материалов и материалов для аккумуляторов с использованием расплавленных солей», — говорит Майк Уиттакер, геофизик из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.

Этот подход позволил получить беспрецедентные подробности об эволюции углерода и промежуточных видов во время CO₂ электролиз, обнаружив двухэтапный путь реакции.

Используя рамановскую спектроскопию для наблюдения за электролизом в действии, исследователи заметили полосы света, указывающие на появление пероксида, адсорбированного углеродом, по мере постепенного осаждения углерода.

Ученые фактически предположили, что пероксид может быть промежуточной частью процесса еще в 1999 году.

«Пероксидная полоса… возникает воспроизводимо и увеличивается одновременно с осаждением углерода, предоставляя прямые доказательства того, что [перекись] — это механистический промежуточный продукт, управляющий превращением CO₂ в углерод в наших условиях», — пишут Ратсо и его команда в своей опубликованной статье.

В зависимости от того, какие катоды использовали исследователи, возникали разные виды осажденного углерода, хотя основная реакция сохранялась.

На катоде из чистого никеля они обнаружили углерод в форме нанотрубок и пластинчатой ​​формы.

Катод, изготовленный из сплава Inconel 600, почти исключительно образует пластинки.

А на электроде из золота углерод откладывался в виде так называемых «аморфных» комков.

Вольфрамовый катод привел к получению большего количества аморфного углерода вместе с восхитительным добавлением «углеродных нанолуковиц».

Эти наблюдения могут помочь ученым адаптировать процесс в зависимости от того, какая форма углерода необходима – например, та, которая используется в батареях, смартфонах и промышленном оборудовании.

«Если бы вы могли запустить этот процесс при низких температурах с действительно дешевыми солями, вы его можно было бы иметь во многих местах, и вы могли бы производить достаточно графита, чтобы его можно было использовать в цепочках поставок аккумуляторов», — говорит Уиттакер.

Некоторые компании уже используют эту технологию в промышленных масштабах, производя от килограммов до тонн углеродных продуктов. Ратсо является соучредителем одной из них.

«Однако все эти компании (насколько мне известно) фокусируются на конкретных продуктах, для которых условия синтеза были определены на основе измерений методом проб и ошибок ex-situ», — пояснил Ратсо.

«По сути, вы синтезируете материал, проверяете его структуру, затем меняете переменную синтеза и снова проверяете то, что выходит из реактора. Это делает любые улучшения свойств углеродных материалов трудоемкими и дорогими. и ограничило диапазон и качество доступных материалов».

Информация, полученная в результате операндо-рамановской спектроскопии, может сделать этот процесс намного более эффективным.

По теме: Пластиковые отходы превращаются непосредственно в водородное топливо – сортировка не требуется

Существующие методы производства углерода, используемого в батареях и топливных элементах, связаны с огромным эквивалентом CO₂ (килограммы CO₂, выбрасываемые на килограмм произведенного материала).

Таким образом, получение графита из углекислого газа в атмосфере является очень привлекательной концепцией. только оно могло бы сократить будущие выбросы, но при этом активно удалять часть тех, которые уже были выброшены.

По крайней мере, теоретически. Эксперты сходятся во мнении, что улавливания, использования и хранения углерода будет недостаточно для решения наших климатических проблем в одиночку. Тем не менее, Ратсо считает, что этот метод производства графита имеет свою роль.

«Метод электролиза расплавленной соли может производить эти материалы с отрицательным эквивалентом CO₂ в сочетании с ветровой, солнечной или ядерной энергией», — сказал Ратсо.

«Я твердо убежден, что это одна из наиболее важных технологий, которые могут оказать реальное влияние на уровни CO₂ в окружающей среде».

Исследование было опубликовано в журнале Природные коммуникации.