آلیاژ پیشرفته‌ای برای تبدیل CO₂ به مواد شیمیایی با کمک پلاسمای آب

به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، یک تکنیک جدید پلاسمای مبتنی بر آب، امکانات تازه‌ای را برای تبدیل کربن فراهم می‌کند.

محققان چینی نانوذرات آلیاژی پایدار با آنتروپی بالا - حاوی پنج فلز با نسبت‌های تقریباً مساوی - را مستقیماً در محلول ایجاد کرده‌اند و بدین ترتیب بر چالش‌های دیرینه در سنتز آلیاژ در مقیاس نانو غلبه کرده‌اند.

این ذرات یک پوسته اکسید شده خود محافظ تشکیل می‌دهند که عملکرد فتوترمال قوی را ارائه می‌دهد و از نور مرئی و مادون قرمز برای تبدیل دی اکسید کربن به مونوکسید کربن با کارایی بیشتر نسبت به کاتالیزور‌های تک فلزی استفاده می‌کند.

به گفته محققان دانشگاه نورث ایست نرمال در چانگچون، این روش سرعت واکنش را تحت تابش افزایش و انرژی فعال‌سازی را کاهش می‌دهد و مسیری مقیاس‌پذیر و غیرفلزی را به سمت فناوری‌های کاربردی و کاربردی تبدیل کربن با انرژی نور فراهم می‌کند.

کاتالیزور‌های قدرت دهنده پلاسما

تلاش‌ها برای تبدیل دی‌اکسید کربن به مواد شیمیایی مفید همچنان چالش‌برانگیز است، زیرا CO₂ بسیار پایدار و فعال‌سازی آن دشوار است. روش‌های حرارتی به انرژی قابل توجهی نیاز دارند، در حالی که بسیاری از مسیر‌های نوری به نور ماوراء بنفش متکی هستند که تنها بخش کوچکی از نور خورشید را تشکیل می‌دهد.

سیستم‌های فوتوترمال با استفاده از نور مرئی و مادون قرمز برای تولید گرما و حامل‌های بار پرانرژی، جایگزین قدرتمندی ارائه می‌دهند و در نتیجه موانع واکنش را بدون نیاز به فلزات گرانبها کاهش می‌دهند. با این حال، عملکرد آنها به موادی بستگی دارد که بتوانند مراحل واکنش چندگانه را انجام دهند، مکان‌های فعال کافی فراهم کنند و در برابر نور و گرما پایدار بمانند.

آلیاژ‌های با آنتروپی بالا (HEAs) برای این نقش امیدوارکننده هستند. این آلیاژ‌ها که حاوی پنج یا تعداد بیشتری فلز در مقادیر تقریباً مساوی هستند، محیط‌های فعال متنوع و پایداری فازی قوی ارائه می‌دهند. با این حال، به گزارش Nanowerk، سنتز در مقیاس نانو به دلیل رفتار‌های متفاوت فلزات، که می‌تواند منجر به اختلاط ناهموار یا جداسازی فاز شود، همچنان چالش برانگیز است.

این مطالعه جدید، یک راه حل، یک روش پلاسمایی را معرفی می‌کند که مستقیماً نانوذرات FeCoNiCrMn را در آب تولید می‌کند. این فرآیند، پلاسما را بین دو میله آلیاژی غوطه‌ور در حمام آب حاوی پایه‌های اکسیدی مانند TiO₂ تشکیل می‌دهد. الکترون‌ها و یون‌های پرانرژی، نواحی کوچکی از سطح آلیاژ را ذوب می‌کنند و قطراتی را آزاد می‌کنند که به سرعت در آب خنک می‌شوند، قبل از اینکه فلزات بتوانند از هم جدا شوند. ذرات اکسید معلق، این قطرات را به دام می‌اندازند و از ادغام آنها جلوگیری می‌کنند.

نتیجه، مجموعه‌ای از نانوذرات تقریباً کروی با قطر حدود ۲۰۰ نانومتر است که محکم به پایه متصل شده‌اند. تجزیه و تحلیل شیمیایی تأیید می‌کند که ذرات ترکیب پنج فلزی مورد نظر را حفظ می‌کنند و این رویکرد می‌تواند فرمولاسیون‌های آلیاژی با آنتروپی بالا را نیز تولید کند که نشان‌دهنده تطبیق‌پذیری قوی است.

تبدیل کارآمد کربن

میکروسکوپ و طیف‌سنجی نشان می‌دهند که هر نانوذره دارای یک هسته فلزی است که توسط یک پوسته اکسید شده غنی از کروم و منگنز احاطه شده است. این اتفاق به این دلیل می‌افتد که پنج فلز موجود در آلیاژ با سرعت‌های مختلف اکسید می‌شوند. کروم و منگنز اکسید‌های بسیار پایداری تشکیل می‌دهند، بنابراین تمایل دارند به سطح حرکت کنند، در حالی که کبالت و نیکل عمدتاً فلزی باقی می‌مانند. با رشد این پوسته، در نهایت به اندازه کافی متراکم می‌شود تا از اکسیداسیون بیشتر جلوگیری کند و در نتیجه ذره را در طول واکنش‌ها پایدار نگه دارد.

آزمایش‌های کاتالیزوری با استفاده از TiO₂ به عنوان پایه نشان می‌دهد که این ماده فقط دی‌اکسید کربن و هیدروژن را به مونوکسید کربن تبدیل می‌کند. در زیر نور، سرعت واکنش به ۱۷.۵۵ میلی‌مول بر گرم ساعت یا ۲۹۸.۱ میلی‌مول بر گرم HEAs ساعت (در صورت تنظیم بر اساس محتوای آلیاژ) افزایش می‌یابد - که بسیار بالاتر از کاتالیزور‌های تک فلزی است. نور همچنین انرژی فعال‌سازی را کاهش می‌دهد و واکنش را آسان‌تر می‌کند. آزمایش‌ها با ایزوتوپ‌ها تأیید می‌کنند که کربن موجود در محصول منحصراً از CO₂ ناشی می‌شود.

طیف‌سنجی، بینشی در مورد نحوه عملکرد کاتالیزور ارائه می‌دهد. داده‌های مادون قرمز نشان می‌دهند که CO₂ به سطح متصل شده و واسطه‌های آماده واکنش را تشکیل می‌دهد. نتایج فوتوالکترون اشعه ایکس نشان می‌دهد که کبالت و نیکل در زیر نور غنی از الکترون می‌شوند، در حالی که کروم و منگنز فقیر از الکترون می‌شوند و آهن انتقال بار را تسهیل می‌کند. علاوه بر این، اندازه‌گیری‌های رامان حرکت اکسیژن روی سطح را ردیابی می‌کنند و نشان می‌دهند که اکسیژن تولید شده در طول واکنش به اکسید‌های کروم و منگنز مهاجرت می‌کند و در نتیجه فعالیت کاتالیزور را حفظ می‌کند، همانطور که توسط Nanowerk گزارش شده است.

به گفته محققان، مدل‌سازی از این یافته‌ها پشتیبانی می‌کند و آزمایش‌ها روی سایر پایه‌ها عملکرد مشابهی را نشان می‌دهند که نشان می‌دهد این روش کاتالیزور‌های تبدیل CO₂ کارآمد، پایدار و مبتنی بر نور ایجاد می‌کند.

جزئیات تحقیقات این تیم در مجله Advanced Materials منتشر شده است.