В процессе разделения воды 90 процентов воды преобразуется в газообразный водород, в то время как процесс разделения CO2 преобразует более 98 процентов CO2 в CO. Кроме того, в процессе также используется образующийся кислород для преобразования метана в синтез-газ, который сам по себе является сырьем, используемым для производства топлива и других продуктов.
«Эти достижения стали возможны благодаря материалам, которые мы специально разработали для обеспечения желаемых термодинамических свойств для каждого процесса», — говорит Фаньсин Ли, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в NC State, который является автором двух статей по этой работе. "Об этих свойствах раньше не сообщалось, если только вы не использовали редкоземельные материалы."
Для процесса расщепления CO2 исследователи разработали нанокомпозит феррита стронция, диспергированного в химически инертной матрице из оксида кальция или оксида марганца. Когда CO2 проходит через уплотненный слой частиц, состоящих из нанокомпозита, нанокомпозитный материал расщепляет CO2 и захватывает один из атомов кислорода.
Это снижает выбросы CO2, оставляя только CO.
«Предыдущие методы преобразования CO2 не были очень эффективными, позволяя преобразовывать менее 90 процентов CO2 в CO», — говорит Ли. "Мы достигли коэффициента конверсии 99%.
«И CO ценен, потому что его можно использовать для производства различных химических продуктов, включая все, от полимеров до уксусной кислоты», — говорит Ли.
Между тем, кислород, захваченный в процессе расщепления CO2, объединяется с метаном и преобразуется в синтез-газ с использованием солнечной энергии.
Для процесса водоразделения исследователи создали частицы оксида бария-марганца, легированного железом. За исключением разницы в материалах, процесс очень похож.
Когда вода в форме пара проходит через слой частиц, оксид бария-марганца, легированный железом, расщепляет молекулы воды и захватывает атомы кислорода. Это оставляет после себя чистый водородный газ.
«Наша конверсия здесь составляет 90 процентов, что очень выгодно по сравнению с другими методами, которые часто находятся в диапазоне 10-20 процентов», — говорит Васудев Харибал, доктор философии.D. студент NC State и ведущий автор статьи о работе по разделению воды.
Кислород, захваченный в процессе расщепления воды, используется для производства синтез-газа с использованием той же технологии, что и в процессе расщепления CO2.
«Мы думаем, что оба эти материала и процессы представляют собой значительный шаг вперед», — говорит Ли. «Они используют относительно недорогие материалы для эффективного извлечения ценного сырья из ресурсов, которые либо легко доступны (в случае воды), либо фактически являются парниковыми газами (в случае CO2 и метана).
«Сейчас мы работаем над разработкой материалов, которые будут еще более эффективными», — говорит Ли. "И мы открыты для работы с внешними группами, которые заинтересованы в масштабировании этих процессов для производства."
Статья о расщеплении СО2 «Перовскитовые нанокомпозиты как эффективные агенты, расщепляющие СО2 в циклической окислительно-восстановительной схеме», опубликована в журнале Science Advances.
Ведущим автором статьи является Цзюньше Чжан, бывший научный сотрудник в штате Северная Каролина, который в настоящее время работает в Сианьском университете Цзяотун. Соавтором статьи является Харибал.
Работа выполнена при поддержке Национального научного фонда в рамках грантов CBET-1254351 и CBET-1510900, а также Института Кенана в штате Северная Каролина.
Статья о водоразделении «BaMnO3, легированный железом для гибридного расщепления воды и генерации синтез-газа» опубликована в журнале ChemSusChem. Соавтором статьи является Фэн Хэ, бывший доктор философии.D. студент NC State и Амит Мишра, доктор философии.D. студент NC State.
Работа выполнена при поддержке NSF в рамках гранта CBET-1254351 и Института Кенана в штате Северная Каролина.