ترکیبات جدید سیریم زیرکونیوم کارایی جذب کربن را افزایش می دهند

تغییرات آب و هوایی به عنوان یک چالش تعیین کننده برای توسعه پایدار بشر ظاهر شده است.غلظت CO2 در جو از 340 ppm در 1980 به 408 ppm در 2019 افزایش یافته استبا توجه به اینکه سوخت های فسیلی هنوز بر مصرف انرژی جهانی تسلط دارند، جذب کربن،استفاده، و فناوری های ذخیره سازی (CCUS) به مسیرهای حیاتی برای راه حل های صنعتی پایدار تبدیل شده اند.

با این حال، جذب گاز دود صنعتی با چالش های فیزیکی و شیمیایی بزرگ روبرو است. انتشارات نیروگاه های زغال سنگ، کارخانه های سیمان و فولاد شامل مخلوط های گازی پیچیده فراتر از CO2 است.از جمله N2، O2، SOx، NOx، و غلظت بالا بخار آب (H2O).وجود بخار آب چیزی را ایجاد می کند که دانشمندان آن را "لعنت رطوبت" می نامند - جایی که مولکول های آب با CO2 برای مکان های جذب در مواد متخلخل سنتی مانند زئولیت رقابت می کنند، کربن فعال و MOF ها، که اغلب باعث کاهش فاجعه بار بهره وری در شرایط واقعی می شوند. توسعه مواد کاربردی جدید با مقاومت عالی در برابر رطوبت، انتخابیو ثبات ترموکیمیک تبدیل به جام مقدس علوم مواد و مهندسی محیط زیست شده است.

در میان مواد مختلف، ترکیبات اکسید سیریوم-زیرکونیوم (Ce-Zr) به دلیل ساختار الکترونیکی منحصر به فرد و پلاستیکیت شبکه ای خود برجسته می شوند.اکسید سیریم (CeO2) دارای ظرفیت ذخیره اکسیژن استثنایی (OSC) و خواص ردوکس است، در حالی که زرکونیوم (Zr4 +) دوپینگ باعث افزایش عملکرد تبدیل از طریق تحریف شبکه می شود.

• مهندسی نقص:شعاع یونیک کوچکتر Zr4 + (0.84 Å) در مقایسه با Ce4 + (0.97 Å) باعث ایجاد تحریف شبکه قابل توجهی در هنگام تزریق به CeO2 می شود.این نه تنها انرژی تشکیل خلا اکسیژن را کاهش می دهد بلکه خلاهای اکسیژن سطحی فراوان را ایجاد می کند که به عنوان مراکز فعال برای شیمی جذب CO2 عمل می کنند..
• مزیت های نانو:پردازش در مقیاس نانو به طور چشمگیری انرژی سطح و تراکم محل فعال را افزایش می دهد. در مقیاس نانو، کامپوزیت های Ce-Zr حرکات پخش استثنایی را نشان می دهند و مسیرهای حمل و نقل مولکول گاز را کوتاه می کنند.
• ثبات حرارتی:پیوند قوی Zr-O توانایی قابل توجهی در برابر سینتر شدن را فراهم می کند و به این ماده اجازه می دهد تا در برابر نوسانات دمای گاز دود صنعتی در حالی که یکپارچگی ساختاری را حفظ می کند، مقاومت کند.

محققان پروتکل های سنتز پیچیده ای را برای ساخت ساختارهای مثالی مِزوپورو ایجاد کرده اند:

• بارندگی:مناسب برای تولید در مقیاس بزرگ، دستیابی به توزیع Ce-Zr در سطح اتمی از طریق کنترل pH و نرخ بارش.
• روش سول ژل:ایجاد شبکه های سه بعدی از طریق هیدرولیز و پلی کندنساسیون، تسهیل تشکیل حفره های بعدی در طول درمان حرارتی.
• ترکیب هیدروترمیک الگویی:استاندارد طلایی فعلی، با استفاده از CTAB یا Pluronic P123 به عنوان عوامل هدایت ساختار برای کنترل دقیق توزیع اندازه منافذ و سطح.این طراحی "میکرو-حاویه" تضمین نفوذ کارآمد CO2 و جذب شیمیایی.

مطالعات رابطه ساختار و فعالیت نشان می دهد نسبت Ce / Zr به عنوان تنظیم کننده عملکرد تعیین کننده است.محل های اکسیژن سطحی در نزدیکی Ce ((III) نشان دهنده ظرفیت جذب به طور قابل توجهی قوی تر از محل های Ce ((IV) یا Zr است.هنگامی که بهینه سازی شود، نسبت Ce ((III) / Ce ((IV) به تعادل می رسد، به حداکثر رساندن قدرت کیمیاژورپشن CO2 می رسد.رابط های Ce-Zr به دقت تنظیم شده می توانند CO2 را از طریق تعاملات الکترواستاتیک جذب کنند، به طور موثر دور زدن "فرمان رطوبت" که مواد معمولی را آزار می دهد.

تحقیقات کامپوزیت نانو Ce-Zr نه تنها مکانیسم های جذب در سطح مولکولی را روشن می کند بلکه تکامل اجتناب ناپذیر را به سمت مواد گیرنده کربن صنعتی با عملکرد بالا و پایدار نشان می دهد.در حالی که موفقیت های آزمایشگاهی امیدوار کننده هستند، کار آینده باید بر روی:

• تحقیق در مورد مکانیسم های واکنش پویا تحت دمای متغیر، فشار و ترکیبات پیچیده گاز دود.
• اعتبارسنجی یکپارچه سازی در مقیاس صنعتی با تبدیل نانومواد آزمایشگاهی به دانه دار، جذب کننده های تشکیل شده.
• بهینه سازی هزینه های تولید برای امکان استفاده گسترده در صنعت

به عنوان یک رسانه ی انقلابی برای جذب کربن، کامپوزیت های نانو Ce-Zr، عصر جدیدی از تکنولوژی جذب کربن صنعتی را آغاز می کنند.این تکنولوژی وعده می دهد که سنگ بنای تلاش های جهانی برای کاهش تغییرات آب و هوایی و خنثی سازی کربن باشد..