Efter 150 år, et gennembrud i forståelsen af ​​omdannelsen af ​​CO2 til elektrobrændstoffer

Ved hjælp af overfladeforstærket Raman-spektroskopi, Columbia Engineers er de første til at observere, hvordan CO ₂ aktiveres ved elektrode-elektrolyt-grænsefladen; deres konstatering flytter katalysatordesignet fra trial-and-error-paradigme til en rationel tilgang og kan føre til alternative, billigere, og sikrere opbevaring af vedvarende energi

New York, NY – 17. september, 2018 – Forskere har længe søgt efter måder at omdanne rigeligt CO2 ₂ til nyttige produkter som kemikalier og brændstof. Så tidligt som i 1869, de var i stand til elektrokatalytisk at omdanne CO ₂ til myresyre. I løbet af de sidste to årtier, stigningen i CO ₂ i jordens atmosfære har markant fremskyndet forskningen i CO ₂ konvertering ved hjælp af vedvarende energiressourcer, inklusive sol, vind, og tidevand. Fordi disse ressourcer er intermitterende - solen skinner ikke hver dag, vinden blæser heller ikke konstant – hvordan man opbevarer vedvarende energi sikkert og omkostningseffektivt er en stor udfordring.

Nyere forskning i elektrokatalytisk CO ₂ konvertering viser vejen til at bruge CO ₂ som råmateriale og vedvarende elektricitet som energiforsyning til syntese af forskellige typer brændstof og værdiskabende kemikalier såsom ethylen, ethanol, og propan. Men videnskabsmænd forstår stadig ikke selv det første trin i disse reaktioner - CO ₂ aktivering, eller transformationen af ​​den lineære CO ₂ molekyle ved katalysatoroverfladen ved accept af den første elektron. At kende den nøjagtige struktur af den aktiverede CO ₂ er afgørende, fordi dens struktur dikterer både slutproduktet af reaktionen og dens energiomkostninger. Denne reaktion kan starte fra mange indledende trin og gå gennem mange veje, giver typisk en blanding af produkter. Hvis videnskabsmænd finder ud af, hvordan processen fungerer, de vil være bedre i stand til selektivt at fremme eller hæmme visse veje, hvilket vil føre til udviklingen af ​​en kommercielt levedygtig katalysator for denne teknologi.

Columbia Engineering-forskere meddelte i dag, at de løste den første brik i puslespillet - de har bevist, at CO ₂ elektroreduktion begynder med et fælles mellemled, ikke to, som man normalt troede. De anvendte en omfattende suite af eksperimentelle og teoretiske metoder til at identificere strukturen af ​​det første mellemprodukt af CO ₂ elektroreduktion:carboxylat CO ₂ -der er knyttet til overfladen med C- og O-atomer. Deres gennembrud, offentliggjort online i dag i PNAS , kom ved at anvende overfladeforstærket Raman-spredning (SERS) i stedet for den hyppigere anvendte overfladeforstærkede infrarøde spektroskopi (SEIRAS). De spektroskopiske resultater blev bekræftet af kvantekemisk modellering.

"Vores resultater om CO ₂ aktivering vil åbne døren til en utrolig bred vifte af muligheder:hvis vi fuldt ud kan forstå CO ₂ elektroreduktion, vi vil være i stand til at reducere vores afhængighed af fossile brændstoffer, bidrage til at afbøde klimaændringer, " siger avisens hovedforfatter Irina Chernyshova, associeret forsker, afdeling for jord- og miljøteknik. "Ud over, vores indsigt i CO ₂ aktivering ved fast-vand-grænsefladen vil gøre det muligt for forskere bedre at modellere de præbiotiske scenarier fra CO ₂ til komplekse organiske molekyler, der kan have ført til livets oprindelse på vores planet."

De besluttede at bruge SERS frem for SEIRAS til deres observationer, fordi de fandt ud af, at SERS har flere væsentlige fordele, der muliggør mere nøjagtig identifikation af strukturen af ​​reaktionsmellemproduktet. Mest vigtigt, forskerne var i stand til at måle vibrationsspektrene af arter dannet ved elektrode-elektrolyt-grænsefladen langs hele spektralområdet og på en operationselektrode (i operandi). Ved at bruge både kvantekemiske simuleringer og konventionelle elektrokemiske metoder, forskerne var i stand til at få det første detaljerede kig på, hvordan CO ₂ aktiveres ved elektrode-elektrolyt-grænsefladen.

At forstå arten af ​​det første reaktionsmellemprodukt er et kritisk skridt mod kommercialisering af det elektrokatalytiske CO ₂ omdannelse til brugbare kemikalier. Det skaber et solidt grundlag for at bevæge sig væk fra trial-and-error-paradigmet til rationelt katalysatordesign. "Med denne viden og beregningskraft, " siger avisens medforfatter Sathish Ponnurangam, en tidligere kandidatstuderende og postdoc i Somasundarans laboratorium, som nu er assisterende professor i kemi- og petroleumsteknik ved University of Calgary, Canada, "Forskere vil være i stand til mere præcist at forudsige reaktionen på forskellige katalysatorer og specificere de mest lovende, som yderligere kan syntetiseres og testes."

"Columbia Engineering-eksperimenterne giver så detaljer, at vi burde være i stand til at opnå en meget definitiv validering af beregningsmodellerne, " siger William Goddard, Charles og Mary Ferkel professor i kemi, Materialevidenskab, og anvendt fysik hos CalTech, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Jeg forventer, at sammen med vores teori, Columbia Engineering-eksperimenterne vil give præcise mekanismer, der skal etableres, og at undersøge, hvordan mekanismerne ændrer sig for forskellige legeringer, overfladestrukturer, elektrolytter, tilsætningsstoffer, skal muliggøre optimering af elektrokatalysatorerne til vandspyd (solbrændstoffer), CO ₂ reduktion til brændstoffer og organiske råvarer, N2-reduktion til NH3 for at opnå meget billigere gødninger, alle de nøgleproblemer, som samfundet står over for for at få energi og mad til at rumme vores eksploderende befolkning."

Elektrokatalyse og fotokatalyse (den såkaldte kunstige fotosyntese) er blandt de mest lovende måder at opnå effektiv lagring af vedvarende energi på. CO ₂ elektroreduktion har fanget forskeres fantasi i mere end 150 år på grund af dens lighed med fotosyntese. Ligesom en plante omdanner sollys til kemisk energi, en katalysator omdanner elektroner leveret af vedvarende energi til kemisk energi, der er lagret i reducerede produkter af CO ₂ . Ud over anvendelsen af ​​vedvarende energi, Elektrokatalyseteknologi kan også muliggøre bemandede Mars-missioner og -kolonier ved at levere brændstof til hjemrejsen og kulstofholdige kemikalier fra CO ₂ det udgør 95 procent af den planets atmosfære.

"Vi forventer, at vores resultater og metodologi vil sætte gang i arbejdet med, hvordan man kan få det til at gå hurtigere og til en lavere energiomkostning, ikke kun elektrokatalytisk, men også fotokatalytisk CO ₂ reduktion, " siger Ponisseril Somasundaran, LaVon Duddleson Krumb professor i mineralteknik, Institut for Jord- og Miljøteknik. "I sidstnævnte tilfælde, en katalysator reducerer CO ₂ ved brug af direkte sollys. Selvom disse to tilgange er eksperimentelt forskellige, er de mikroskopisk ens - begge starter med aktivering af CO ₂ ved elektronoverførsel fra en katalysatoroverflade. På dette tidspunkt, Jeg tror på, at begge disse tilgange vil dominere fremtiden."

Holdet arbejder nu på at afdække de efterfølgende reaktionstrin - for at se, hvordan CO ₂ er yderligere transformeret - og for at udvikle overlegne katalysatorer baseret på jordrige grundstoffer såsom Cu (kobber) og Sn (tin).

Undersøgelsen har titlen "Om oprindelsen af ​​det undvigende første mellemprodukt af CO2 elektroreduktion."