نانوافزودنی‌ها به تولید ارزان و زیست‌سازگار هیدورژن کمک می‌کنند

محققان نشان دادند که با استفاده از یک روش ساخت منحصر به فرد می‌توان انتشار دی اکسید کربن از فرآیند‌های تولید هیدروژن مبتنی بر گاز‌های طبیعی را با رسوب مستقیم کربن دوبعدی به عنوان یک نانوافزودنی سیمان خنثی کرد.

کد خبر: ۱۰۱۴۴۵۴

دوشنبه - ۱۶ خرداد ۱۴۰۱ / June 06, 2022

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، در مقاله‌ای که در مجله Nano Energy منتشر شد، محققان نشان دادند که با استفاده از یک روش ساخت منحصر به فرد می‌توان انتشار دی اکسید کربن از فرآیند‌های تولید هیدروژن مبتنی بر گاز‌های طبیعی را با رسوب مستقیم کربن دوبعدی به عنوان یک نانوافزودنی سیمان خنثی کرد.

هیدروژن (H ۲) به عنوان یک منبع انرژی پاک برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی است، اما تولید هیدروژن بدون تولید کربن با قیمت مقرون‌به‌صرفه برای کربن‌زدایی در سراسر جهان ضروری است. الکترولیز آب و تبدیل گاز طبیعی (NG) به هیدروژن روش‌های کاملاً ثابت شده برای تولید هیدروژن در مقیاس انبوه است.

تبدیل متان به هیدروژن ممکن است هیدروژن را با هزینه کمتری نسبت به هیدرولیز بدون کربن تولید کند که به انرژی زیادی نیاز دارد که منجر به هزینه‌های بالا و راندمان ضعیف می‌شود. در حال حاضر، ۹۵ درصد از هیدروژن توسط فرآیند اصلاح بخار متان (SMR) تولید می‌شود که منجر به تولید حجم زیادی از دی اکسید کربن (CO ۲) می‌شود.

روش‌های جذب و ذخیره کربن (CCS) برای به حداقل رساندن انتشار CO ۲ از تبدیل گاز طبیعی به هیدروژن استفاده می‌شوند. با این وجود، در حال حاضر استفاده از جذب و ذخیره کربن برای گرفتن تمام CO ۲ تولید شده از تولید هیدروژن غیرعملی است.

جمع‌آوری CO ۲ مایع از اصلاح بخار متان با جذب و ذخیره کربن به مواد شیمیایی و انرژی زیادی نیاز دارد که باعث افزایش قیمت می‌شود.

اصلاح بخار متان نیز ممکن است با شکستن متان جایگزین شود تا کربن جامد در طول واکنش جمع‌آوری و ذخیره شود. با این وجود، مدیریت این کربن پوشش‌دار (کربن D)، که با توجه به مصرف فعلی هیدروژن ممکن است تا ۳۶۰ میلیون تن وزن داشته باشد، منجر به انتشار کربن بالا می‌شود.

فرض بر این بود که یک رویکرد انقلابی‌تر برای رسوب مستقیم کربن در یک پیکربندی دوبعدی به عنوان افزودنی به تولید سیمان ممکن است کاهش قابل توجهی در خروجی کربن ایجاد کند.

استفاده از مواد سیمانی شامل ملات و سیمان در جهان بسیار زیاد است. در نتیجه، مواد سیمانی یک گزینه عالی برای افزایش نیاز به کربن D است.

نانوصفحات کربنی دوبعدی (CNS)، مانند اکسید گرافن (GO)، یکی از کارآمدترین اصلاح‌کننده‌های سیمان هستند که مصرف سیمان و انتشار CO ۲ مربوطه را کاهش می‌دهند. با این وجود، قیمت بالای نانوصفحات کربنی و پدیده‌های خوشه‌بندی مانع از استفاده گسترده آن‌ها می‌شود.

اگر کربن D ارزان قیمت مانند نانوصفحات کربنی عمل کند، ممکن است برای به حداقل رساندن مصرف سیمان و در نتیجه انتشار کاهش کربن استفاده شود. برای اینکه چنین رویه‌ای از نظر اقتصادی برای بخش سیمان امکان‌پذیر باشد، سه مانع بزرگ باید به طور همزمان حل شود.

برای شروع، نانوصفحات کربنی دوبعدی باید فوراً در شکل مناسب قرار داده شوند که ممکن است سیمان را بهبود بخشد. ثانیاً، نانوصفحات کربنی دوبعدی باید بدون هیچ مشکلی در انطباق، در بتن پراکنده شوند. برای دستیابی به هزینه اقتصادی، نباید هیچ سنتز شیمیایی برای این کار لازم باشد.

در این مطالعه، پشتیبان‌های سازگار با سیمان چند منظوره منحصر به فرد استفاده شد که نه تنها اجازه پوشش مستقیم نانومواد کربنی دوبعدی در فرآیند کرک متان را می‌دهد، بلکه به‌عنوان یک انتقال‌دهنده کربن دو بعدی برای پراکندگی کارآمد در تقویت سیمان عمل می‌کند.

بررسی‌ها نشان داد که کربن D دو بعدی ممکن است سختی مخلوط بتن را تا ۳۶ درصد بدون هیچ گونه سنتز شیمیایی اضافی افزایش دهد. نشان داده شد که این طرح تولید منحصر به فرد اجازه می‌دهد تا خطوط متعارف تبدیل گاز طبیعی (NG) -هیدروژن و خطوط تولید سیمان به هم متصل شوند که منجر به صرفه جویی ۹۹ درصدی در هزینه برای افزودنی‌های نانو کربنی دو بعدی شده و انتشار کربن را به شدت کاهش می‌دهد.