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清理CO2排放可创造价值数十万亿美金的利润 精选

已有 6727 次阅读 2017-7-20 22:51 |个人分类:新科技|系统分类:论文交流| 太阳能, CO2

清理CO2排放可创造价值十万亿美金的利润

诸平


Fig. 1. Schematic representation of new synergistic pathways to form a high yield of macroscopic length CNT “wool” by electrolysis in molten carbonate. Middle: Prior C2CNT syntheses were dependent on a zinc coated steel cathode, a pure Ni anode, and a low current pre-electrolysis activation step. An intermediate, new C2CNT electrolysis removes the requirement of a zinc coating leading to the exploration of a variety of new cathode substrates. Right side: The optimized C2CNT pathway utilizes Monel cathodes and Nichrome anodes, molten electrolyte equilibration for 24 h, and the electrolysis is conducted directly without pre-electrolysis activation steps. This pathway produces a high yield of macroscopic length CNT wool. Left side: experimental cell configuration used in these C2CNT experiments. Larger cells are shown in sect. IV of Ref. [27].


Fig. 2. Top: SEM of product formed in the initial electrolysis stages at the Monel cathode/equilibrated electrolyte interface. Bottom: Carbonate electrolytic growth model of carbon nanotubes from CO2. The mechanism of electrolytic synthesis of CNTs had not been previously elucidated and here is based on the layered graphene observation observed in the top of the figure, and our previous SEM, EDX, TEM, chemical balance (the oxide buildup when CO2 is excluded), DFT calculations, and isotopic evidence. This proposed tip (left) or base (right) mechanism occurs at the solid/liquid (molten carbonate) interface, and transforms CO2 into CNTs. The mechanisms are analogous to the CVD growth mechanism, which instead occurs at the solid/gas, interface, and transforms organics, rather than CO2, into CNTs.


Fig. 3. SEM of the CNT wool product produced at the cathode from CO2 during replicate syntheses of 770 °C Li2CO3 electrolysis. Electrolysis is for 18 h at 0.1 A cm−2 (1.8 Ah cm−2) between a NiChrome anode and a Monel cathode.


Fig. 4. TEM presenting the range of these C2CNT generated CNT diameters. The lower left 10 nm scale TEM presenting the inter-graphene wall spacing is from our reference [25].

据物理学家组织网(Phys.org2017719提供的消息,美国乔治华盛顿大学(George Washington University)的化学家将煤炭等燃料燃烧产生的CO2通过使用太阳能热力站的C2CNT工艺可以将其转化为碳纳米管绒毛(如图5所示)。


Fig. 5 Schematic representation of a possible future C2CNT station that uses solar thermal power to convert carbon dioxide from the atmosphere into carbon nanotube wool. Credit: Johnson et al. ©2017 Elsevier Ltd

众所周知,CO2作为一种温室气体,不仅会对气候变化产生影响,而且还会对大气造成污染,甚至导致政治混乱经济负担。这些也是大多数人听到二氧化碳排放”,他们可能会联想到的一些负面效应。美国乔治华盛顿大学(George Washington University)的一名化学教授斯图尔特·里希特(Stuart Licht领导的研究小组发,有一个愿景可以使排放CO2污染物转变为一个有价值的资源,可能获得很净利润。相关研究结果于2017714日已经在Materials Today Energy杂志网站发表——Marcus Johnson, Jiawen Ren, Matthew Lefler, Gad Licht, Juan Vicini, Xinye Liu, Stuart Licht. Carbon nanotube wools made directly from CO2 by molten electrolysis: Value driven pathways to carbon dioxide greenhouse gas mitigation. Materials Today Energy, 2017, 5: 230-236. DOI: 10.1016/j.mtener.2017.07.0032468-6069.

项新的研究结果中,研究人员已经证明,他们可以使用CO2和太阳能热能生产高产毫米尺度的碳纳米管(CNT)绒毛,其成本仅为660美元/t而像这样长度的碳纳米管的市场价格目前为10~40美元/t,因为他们可以编织成金属、水泥和其他材料替代纺织品。

斯图尔特·里希特教授告诉物理学家组织网记者:我们已经推出了一种被称之为碳纳米管绒毛(Carbon Nanotube Wool的新类材料这是首例可以直接用来织成布碳纳米管材料,因为它们具有宏观长度和廉价生产的特点,而且生产唯一反应物原材料就是温室气体CO2

研究人员CO2转化为CNTs(CO2 to CNTs)这项新技术简称为C2CNT,希望此项技术将提供一个不争的经济诱因,从大气中去除多余的CO2研究者经过计算,如果在一个面积相当于撒哈拉沙漠Sahara Desert4%区域建立太阳能热,10年之内有望使大气中CO2浓度的水平减少工业化前的水平。他们也指出,一个更现实的实施方案就是在海洋上建造太阳能发电站,因为海洋上存在更多可用的表面积。

这项新研究基于科学家们先前2010年的研究当他们第一次提出太阳能热电化过程(solar thermal electrochemical process简称STEP),太阳能是用于STEP电解。这个电解捕获和分解或电解大气中的CO2,使其转化CO和氧气(O2)。碳副产品可以用来合成各种产品,如甲烷、合成气和氨。虽然有用,这些产品的价格都约100美元/t,所以价值根本无法与CNTs价格进行比较

排放CO2合成CNTs已经证明是更有挑战性,有一些早期的研究表明,通过电解熔融的碳酸锂不可能生产CNTs ,碳酸锂是用于STEP过程中,使碳产品成核生长的一种化合物。然而,2015,斯图尔特·里希特教授和他的团队首次展示了CO2分解转化为CNTs 产率、低能的可行性,他们与熔融碳酸锂一起使用另一种生长机制。

然而,此工艺的一个缺点是产生CNTs都是纳米级(长度小于100 μm),太短无法编织成纺织品。这项新研究的主要结果是CNTs的长度超过100,可以取代电解槽蒙乃尔铜镍合金一起使用的阴极或钢阴极。通过这种变化和其他参数仔细调优,研究人员制作CNTs 直径超过1 μm和长度超过1 mm 他们指出,针对这种产品引出另外一个实际问题:这种纳米管是否应该被归类为纳米材料nanomaterials。在任何情况下,仿绒毛碳纳米管都是有够的长度,以满足编织成纺织品各种应用需求

斯图尔特·里希特教授廉价、可编织的CNT绒毛被认为是首选替代传统的钢铁和铝的应用,由于CNT绒毛质量轻、强度质量比优势。除了纺织品、CNT绒毛作为抗爆、抗裂水泥和陶瓷首选添加剂。其他超强高导电CNT布的应用是防弹

更多信息请注意浏览原文或者相关报道:

Researchers assess power plants that convert all of their CO2 emissions into carbon nanotubes

Highlights


Unusual carbon nanotube wools are introduced electrosynthesized in molten carbonate.

C2CNT is CO2 transformation to carbon nanotubes by electrolysis in molten carbonate.

(Air or exhaust) CO2 is the only reactant in C2CNT carbon nanotube wool synthesis.

C2CNT product value (>100,000 US dollars) compared to cost (660 US dollars) incentivizes CO2 removal.

CO2 becomes a useful, valuable resource rather than a greenhouse gas pollutant.


Abstract

A climate mitigation comprehensive solution is presented through the first high yield, low energy synthesis of macroscopic length carbon nanotube (“CNT”) wool from CO2 by molten carbonate electrolysis. The CNT wool is of length suitable for weaving into carbon composites and textiles. Growing CO2 concentrations, and the concurrent climate change and species extinction, can be addressed if CO2 becomes a sought resource rather than a greenhouse pollutant. Inexpensive carbon composites formed from carbon wool as a lighter metal, textiles or cement replacement comprise major market sinks to compactly store transformed anthropogenic CO2. 100×-longer CNTs grow on Monel versus steel. Monel, electrolyte equilibration, and a mixed metal nucleation facilitate the synthesis. CO2, the sole reactant in this transformation, is directly extractable from dilute (atmospheric) or concentrated sources, and the analyzed production cost of 660 US dollars per ton CNT is cost constrained only by the (low) cost of electricity. Today's market valuation of  >100,000 US dollars per ton CNT incentivizes CO2 removal.

新发明:将二氧化碳变为石墨烯,并应用于超级电容!

IntelligentThings 2017-08-08昨天23:08

导读

美国密歇根理工大学的材料科学家 Yun Hang Hu 教授发明了一种新方法,将二氧化碳转化为表面具有微孔的三维石墨烯。这种三维表面多微孔的石墨烯具有独特的结构,很适合作为超级电容的电极材料。

关键字

超级电容、石墨烯、能量

背景

如今,节能环保已成为全球技术创新的目标之一。超级电容作为一种高效实用的新型储能器件,已经开始取代传统蓄电池。超级电容具有充电速度快、循环寿命长、安全可靠、存储电能多、绿色环保等优点。它适用于电梯、公交车、起重机,以及任何需要快速充放电循环的应用领域。未来,它在电动汽车、大功率输出设备、消费电子设备等领域,有着非常广阔的市场前景。

作为超级电容电极的材料,通常都需要存储和释放电荷,所以制约其性能的关键因素之一就是:离子在材料中移动速度如何。

目前商用的超级电容大多采用活性炭为电极材料。活性炭是具有"内凹"结构的微孔碳,它可以提供有效的电荷积累。然而,电解液离子却很难扩散进入或者通过活性炭内部深深的微孔,从而延长了充电时间,降低了效率。

创新

针对上述问题,美国密歇根理工大学的材料科学家 Yun Hang Hu 教授认为:

"新型三维表面微孔的石墨烯可以解决这一问题。中孔相互连接形成管道,作为电解液的容器,而表面的微孔吸收电解液离子,且无需将离子拉入微孔深处。"

(图片来源:密歇根理工大学)

Hu 教授发明了一种新方法,将二氧化碳转化为表面具有微孔的三维石墨烯。这种三维表面多微孔的石墨烯具有独特的结构,很适合作为超级电容的电极材料。一项与该工艺相关的新研究论文发表于美国化学会的《应用材料和接口》期刊。

技术

技术方面,我们还是重新温顾一下石墨烯。它作为一种性能极佳的新材料,由碳原子构成蜂窝状的结构,且只有一层原子的厚度,在强度、导电、导热等方面,都具有卓越的性能,有着"新材料之王"的美誉。之前的相关文章中,笔者曾多次介绍。

对于石墨烯应用于超级电容的电极,这项研究并不是笔者首次介绍的相关案例。之前,在《新石墨烯电极:灵感来源于分形植物,为产业发展萌发新希望!》一文中,笔者也曾介绍过澳大利亚皇家墨尔本理工大学使用石墨烯作为超级电容电极材料。它不仅有望将超级电容的容量提升30倍,另外还可以开发出柔性薄膜,更适合智能穿戴、新能源汽车、智能手机、智能建筑等应用场景。

也许,我们不禁会问为什么三维多微孔的石墨烯适合作为超级电容的电极材料?从技术角度来讲,密歇根理工大学的研究人员作了一个很好的比喻:这种石墨烯材料中的中孔就像一个海港,而电解液离子就像船一样停泊在微孔中。在启航和入港之间,离子无需行驶很长的距离,这样极大提升了充放电循环的速度。

(图片来源:密歇根理工大学)

除此之外,还有一个非常关键的技术重点和难点就是:二氧化碳具有超高稳定性,将它转化为有用的材料通常需要高能量。

然而,Hu 教授与他的研究团队创造出二氧化碳和钠之间的一种放热反应,从而合成三维表面多微孔的石墨烯。为了用二氧化碳合成这种材料,Hu 教授的团队将二氧化碳加入钠中,将温度提高到520摄氏度。这种反应可以释放出热量,而且无需输入能量。

在这个过程中,二氧化碳不仅形成了三维石墨烯片,而且挖掘出微孔。这些微孔位于石墨烯的表面层,只有0.54纳米的深度。

价值

从价值的角度挖掘,这项创新发明首先将石墨烯材料成功应用于超级电容的电极,并改善了超级电容的性能。

这种石墨烯材料表面具有如同痘痕一般的微孔,并折叠成更大的中孔,两种孔都增加了吸收电解液离子的表面积。Hu 教授解释说:

"三维表面多微孔的石墨烯是一种全新的材料。它对于能量存储器件来说是一种极好的电极材料。"

结果显示,该材料具有超高的面积比电容(areal capacitance),可达1.28 F/cm2。它制成的超级电容具有卓越的倍率性能和极好的循环稳定性。

其次,将二氧化碳转化为石墨烯,不仅有效地利用了温室气体,而且更加节能环保。虽然我们尚不清楚二氧化碳转化为石墨烯的效率如何、制造工艺的复杂度如何、低成本如何、是否适合量产,但是就目前来说,它至少为未来石墨烯的生产和制备又提供了一个新思路。

参考资料

【1】http://www.mtu.edu/news/stories/2017/august/greenhouse-gas-3-d-surface-microporous-graphene.html

【2】Liang Chang, Dario J. Stacchiola, Yun Hang Hu.An Ideal Electrode Material, 3D Surface-Microporous Graphene for Supercapacitors with Ultrahigh Areal Capacitance.ACS Applied Materials & Interfaces, 2017; 9 (29): 24655 DOI: 10.1021/acsami.7b07381





https://blog.sciencenet.cn/blog-212210-1067376.html

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