Τα περισσότερα μέταλλα που βρίσκονται στη φύση βρίσκονται στην πραγματικότητα σε μορφή οξειδίου. Για την εξαγωγή αυτών των μετάλλων για χρήση σε κρίσιμες εφαρμογές αυτά τα οξείδια πρέπει να αναχθούν με αέρια. Mια νέα μελέτη φωτίζει τον τρόπο με τον οποίο διαφορετικά αέρια μπορούν να επηρεάσουν τη μείωση των οξειδίων, έχοντας τη δυνατότητα να αναθεωρήσει τις επιστημονικές αντιλήψεις και τις τρέχουσες βιομηχανικές πρακτικές.
Αναγωγή με λιγότερη ενέργεια
Το υδρογόνο ή το μονοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιούνται συνήθως ως αναγωγικά, και θεωρείται ότι επιτελούν την ίδια δουλειά με τον ίδιο τρόπο. Αυτή η έρευνα αναδεικνύει, για πρώτη φορά, διακριτές παραλλαγές μεταξύ των δύο που επηρεάζουν τις κρίσιμες χημικές αντιδράσεις που τροφοδοτούν την παραγωγή μετάλλων.
Δημοσιεύτηκε στο Nature, η νέα εργασία ήταν μια συνεργασία μεταξύ του Πανεπιστημίου Binghamton και του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven, καθώς και του Πανεπιστημίου Stony Brook και του Πανεπιστημίου Columbia.
"Για την παραγωγή μετάλλων, η βασική πρόκληση είναι η αποτελεσματική αφαίρεση του ατομικού οξυγόνου από τα οξείδια των μετάλλων για την παραγωγή καθαρών μετάλλων", δήλωσε ο Guangwen Zhou, διακεκριμένος καθηγητής του SUNY στο Κολέγιο Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών Thomas J. Watson και αναπληρωτής διευθυντής του προγράμματος Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών του Πανεπιστημίου Binghamton.
«Ο στόχος είναι να προωθηθεί αυτή η διαδικασία αναγωγής χρησιμοποιώντας λιγότερη ενέργεια, σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και με ελάχιστες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Η μελέτη μας προσφέρει πληροφορίες που μπορούν να βοηθήσουν στην επιλογή αερίων ή αναγωγικών για την επιτάχυνση της κινητικής των αντιδράσεων, καθιστώντας την εξαγωγή μετάλλων ταχύτερη, καθαρότερη και πιο ενεργειακά αποδοτική».
Αφού εξέτασαν τους μηχανισμούς κάθε αναγωγικού παράγοντα, διαπίστωσαν ότι τα αναγωγικά μονοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνου δεν είναι στην πραγματικότητα τόσο παρόμοια. Όταν χρησιμοποιήθηκε μονοξείδιο του άνθρακα για τη μείωση του οξειδίου του νικελίου, η επιφάνεια του οξειδίου σταδιακά επικαλύφθηκε με ένα λεπτό στρώμα μετάλλου — ουσιαστικά σταματώντας τυχόν περαιτέρω καταλυτικές αντιδράσεις να συμβούν καθώς το οξυγόνο εξαντλούνταν από την κορυφή.
Οι παρατηρήσεις των ερευνητών
Παγιδευμένοι και ανίκανοι να μεταναστεύσουν στον όγκο, αυτοί οι θύλακες που δεν είχαν οξυγόνο συσσωρεύτηκαν στην επιφάνεια και οδήγησαν στην τοπική μετατροπή του οξειδίου του νικελίου σε μεταλλικό νικέλιο.
Αυτός ο νεοσχηματισμένος μεταλλικός «κρούστα» εμπόδισε περαιτέρω την απομάκρυνση του οξυγόνου βαθύτερα μέσα στο οξείδιο, επιβραδύνοντας τη συνολική διαδικασία αναγωγής. Εκτός από τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, η συνέχιση της απόσπασης οποιωνδήποτε αντιδράσεων από ένα πλέον ανενεργό οξείδιο θα ήταν ακόμη πιο δαπανηρή και χρονοβόρα.
Όταν χρησιμοποιήθηκε υδρογόνο, οι κενές θέσεις οξυγόνου που σχηματίστηκαν στην επιφάνεια μπορούσαν να μεταναστεύσουν στον όγκο του οξειδίου, επιτρέποντας τον σχηματισμό μετάλλου σε όλο το εσωτερικό. Είναι σημαντικό ότι η επιφάνεια παρέμεινε σε μεγάλο βαθμό άθικτη με υδρογόνο, ακόμα ικανή για τις καταλυτικές αντιδράσεις που είναι κρίσιμες για την έναρξη χημικών αντιδράσεων.
«Όλη αυτή η διαφορά σχετίζεται με τη διαφορά στους θεμελιώδεις μηχανισμούς», είπε ο Zhou. «Νομίζω ότι αυτός είναι ο λόγος που η κοινότητα έχει έντονο ενδιαφέρον για αυτό το έργο, επειδή έχουμε παράσχει αυτή τη θεμελιώδη γνώση για να κατανοήσουμε αυτά τα δύο βασικά αναγωγικά αέρια στον έλεγχο των αντιδράσεων - τόσο στην κινητική όσο και στα προϊόντα αντίδρασης».
Μια μακροχρόνια συνεργασία
Πέρα από τις δυνατότητές της να βελτιώσει τις βιομηχανικές πρακτικές, αυτή η μελέτη επίσης τη χρήση γης και προωθώντας την ενεργειακή μετάβαση. επαναπροσδιορίζει το πώς οι επιστήμονες μπορούν να κατανοήσουν τις πολύ βασικές αρχές της αναγωγής οξειδίων, σύμφωνα με την Judith Yang, επιστήμονα στο Κέντρο Λειτουργικών Νανοϋλικών (CFN) του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven.
Ένα τέτοιο έργο απαιτούσε πολλά χέρια και κεφάλια, είπε ο Zhou, αλλά η συνεργασία μεταξύ Binghamton και Brookhaven έχει επεκταθεί σε πολλαπλές μελέτες. Επιπλέον, το CFN και το NSLS-II είναι και τα δύο εγκαταστάσεις κοινής χρήσης με πρωτοποριακό εξοπλισμό και επιστημονική εμπειρογνωμοσύνη που είναι δωρεάν για χρήση από την ευρύτερη ερευνητική κοινότητα.
Μελέτες σαν κι αυτές δεν ωφελούν μόνο τις βιομηχανίες, αλλά και τους επιστήμονες που εργάζονται με συνεχώς εξελισσόμενες τεχνολογίες για να ζήσουν.
Νέες συνεργασίες για το μέλλον
Ο Zhou και η ομάδα του σχεδιάζουν τώρα να επεκτείνουν τα πειραματικά τους υλικά, από χαλκό έως οξείδια σιδήρου - θυμίζοντας τις ίδιες Εποχές του Χαλκού και του Σιδήρου που κάποτε χαρακτήριζαν μεγάλο μέρος της αρχαίας ιστορίας, πρόσθεσε η Yang.
«Είναι πραγματικά συναρπαστικό το γεγονός ότι το έργο της Guangwen συνδέεται με την ιστορία της ανθρωπότητας», είπε. «Βρίσκουμε νέα γοητεία σε αυτό που όρισε τις υλικές εποχές της ανθρώπινης ιστορίας».
www.worldenergynews.gr
