Van roetdeeltjesfilters tot hernieuwbare brandstoffen: onderzoek naar oxidatie van koolstofnanodeeltjes

Koolstofdeeltjes zijn aanwezig in veel aspecten van ons dagelijks leven. Roet, dat bestaat uit kleine koolstofdeeltjes, ontstaat wanneer energiebronnen zoals olie of hout niet volledig worden verbrand. Roetdeeltjesfilters verwijderen op hun beurt de nanometer- tot micrometergrote deeltjes uit de uitlaatgassen van auto’s met behulp van chemische oppervlaktereacties.

Koolstofdeeltjes zouden in de industrie gebruikt kunnen worden, omdat bij temperaturen boven de 1.000°C koolstof omgezet kan worden met koolstofdioxide (CO₂) en water tot voorlopers van synthetische brandstoffen. Bij beide toepassingen zijn chemische reacties die plaatsvinden op het koolstofoppervlak essentieel, maar de omstandigheden waaronder specifieke reactieroutes domineren worden nog niet volledig begrepen.

Koolstofdeeltjes worden afgebroken door stikstofdioxide en zuurstof

Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Chemie (MPIC) kunnen nu beter uitleggen wat er gebeurt tijdens de oxidatie van koolstofnanodeeltjes in het roetfilter. Ze onderzochten de kleine roetdeeltjes onder omstandigheden die typisch zijn voor uitlaatgassen van dieselmotoren.

Bij temperaturen variërend van ongeveer 270°C tot 450°C interageert de koolstof met de reactieve gassen stikstofdioxide (NO₂) en zuurstof (O₂). De gassen oxideren de koolstof en breken deze dus af. Het resultaat: hoe hoger de temperatuur, hoe sneller de koolstofmassa verdwijnt. De onderzoekers voerden vervolgens de experimentele gegevens in een kinetisch meerlagenmodel in dat bekend staat als KM-GAP-CARBON.

De modellen onthullen wat er chemisch gebeurt: bij lagere temperaturen wordt de koolstofafbraak gedomineerd door stikstofdioxide, terwijl deze bij hogere temperaturen wordt gedomineerd door zuurstof. Deze verandering in de dominante reactieroutes wordt gekenmerkt door een geleidelijke verschuiving in de activeringsenergie die nodig is om een ​​chemische reactie te laten plaatsvinden. Hun onderzoek is gepubliceerd in Angewandte Chemie Internationale Editie.

Het chemische model komt voort uit onderzoek naar atmosferische aerosolen

“Ons model was oorspronkelijk ontworpen om de chemie van fijnstofdeeltjes in de atmosfeer te beschrijven, maar we ontdekten dat het ook heel goed werkt voor technische toepassingen bij hoge temperaturen”, zegt Thomas Berkemeier, hoofdauteur van het onderzoek en onderzoeksgroepleider. bij MPIC.

“Ons model helpt ons te begrijpen waarom het chemische reactiepad wordt beïnvloed door temperatuur. Het verklaart ook een tweede bijzonderheid: bij de metingen zien we dat de reactiesnelheid het hoogst is aan het begin en aan het einde van de reactie.”

Volgens de studie worden de meer reactieve koolstofatomen op het oppervlak van koolstofdeeltjes eerst geoxideerd en vergast, wat leidt tot een ophoping van minder reactieve atomen op het oppervlak. Dit leidt in eerste instantie tot een vorm van passivatie van de deeltjes en het oxidatieproces vertraagt.

‘Tegen het einde van de reactie is de verhouding tussen het oppervlak van de deeltjes en hun volume bijzonder groot, en daarom neemt de voor volume genormaliseerde reactiesnelheid weer scherp toe’, legt Berkemeier uit, die de precieze structuur van de reactie wil onderzoeken. deeltjes in de toekomst met behulp van zowel microscopische als spectroscopische technieken.

Bovendien plannen de scheikundige en zijn team verdere studies naar de reactiekinetiek om de effecten van verschillende oxidatiemiddelen en omstandigheden te onderzoeken.

Fundamenteel onderzoek draagt ​​bij aan de ontwikkeling van hernieuwbare brandstoffen

Ulrich Pöschl, co-auteur en directeur van het Max Planck Instituut voor Chemie, merkte op: “Ons onderzoek vergroot niet alleen het begrip van fundamentele processen op koolstofnano-oppervlakken. Het opent ook nieuwe wegen voor technologische innovaties in de milieu- en energiesector, voor bijvoorbeeld door vooruitgang in technologieën voor het opvangen van koolstof en door het optimaliseren van de productieomstandigheden bij de ontwikkeling van synthetische brandstoffen. De resultaten van decennia van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek dragen dus ook bij aan een duurzame ontwikkeling van technologie en samenleving in het Antropoceen.

De term ‘Antropoceen’ verwijst naar het huidige geologische tijdperk, dat wordt gekenmerkt door de snel toenemende en wereldwijd doordringende menselijke invloed op planeet Aarde en dat sinds de ontdekking ervan door de Nobelprijs deel uitmaakt van de wetenschappelijke activiteiten en het onderzoek van het Max Planck Instituut voor Chemie. winnaar Paul Crutzen.