Оксиды металлов играют решающую роль в процессах, снижающих выбросы CO2, включая улавливание, использование и хранение углерода (CCUS), очистку и переработку инертных газов при производстве солнечных панелей, термохимическое хранение энергии и производство водорода.
Эти процессы основаны на окислительно-восстановительных реакциях, но характеристики оксидов металлов ухудшаются из-за окислительно-восстановительных реакций при высоких температурах, необходимых для химического производства.
Теперь команда под руководством Имперского колледжа Лондона разработала новую стратегию проектирования материалов, которая позволяет производить оксиды металлов на основе меди, которые, как говорят, лучше работают при высоких температурах. Исследование команды опубликовано в Nature Communications .
В заявлении старшего автора доктора Цилей Сонг из Департамента химического машиностроения говорится: «Поскольку мир переходит к нулевому уровню выбросов, нам нужны более инновационные промышленные процессы для обезуглероживания. Чтобы повысить энергетическую безопасность, мы должны диверсифицировать электроснабжение, от производства и хранения возобновляемой энергии до чистого использования ископаемого топлива с технологиями CCUS. Наши улучшенные оксиды металлов обладают большим потенциалом для использования в энергетических процессах, которые помогают нам достичь чистого нуля».
Оксиды металлов необходимы в процессе химического петлевого сжигания (CLC), который представляет собой альтернативный способ сжигания ископаемого топлива, в котором используются оксиды металлов, такие как оксиды меди, для переноса кислорода из воздуха для реакции с топливом. В результате реакции образуется CO2 и пар, который конденсируется для улавливания CO2.
Ключевой проблемой, которая удерживает CLC от использования в более крупных масштабах, является неспособность оксидов металлов поддерживать хорошие характеристики выделения кислорода в течение нескольких окислительно-восстановительных циклов при высоких температурах.
Чтобы решить эту проблему, исследователи изучили фундаментальные структуры оксидов металлов, используемых в CLC, аргументируя это тем, что химия предшественников оксидов металлов была плохо изучена.
Со-ведущий автор Майкл Хай, кандидат наук Департамента химического машиностроения Imperial, сказал: «Чтобы решить вопрос о том, как оксиды металлов сохраняют свои характеристики, мы обратились к основам химических процессов, связанных с CLC. Это ключевой пример сочетания фундаментальных исследований и продуманного дизайна для разработки стратегии, применимой к широкому спектру инженерных процессов».
Они использовали альтернативный способ создания структуры оксида металла из хорошо известного прекурсора, состоящего из двойных гидроксидов со слоями медь-магний-алюминий (LDH). Изменяя химический состав предшественников LDH, исследователи обнаружили, что они могут производить оксиды металлов, которые все еще могут хорошо работать при высоких температурах. Они продемонстрировали это, подвергнув оксиды 100 химическим циклам в реакторе с псевдоожиженным слоем в течение 65 часов.
Их большая способность противостоять нагреву означает, что полученные таким образом оксиды металлов можно использовать для высвобождения большей энергии за счет очистки и переработки инертных газов, таких как аргон, в производстве солнечных панелей, улавливании и хранении углерода, хранении химической энергии и производстве водорода. Чтобы показать это, исследователи увеличили производство оксидов металлов для использования в реакторах с псевдоожиженным слоем и обнаружили, что создание этих материалов просто и легко подходит для масштабирования с использованием существующих промышленных методов производства.
Затем исследователи изучат долгосрочную стабильность материалов во время сжигания различных видов топлива, изучат новые области применения для термохимического накопления энергии и расширят подход к другим системам оксидов металлов для производства чистого водорода с помощью термохимических окислительно-восстановительных циклов.
Это исследование финансировалось EPSRC, Европейским исследовательским советом, Китайским стипендиальным советом и Национальным научным фондом выдающихся молодых ученых Китая.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com