Risreaktor omdanner drivhusgas til rent flydende brændstof

En almindelig drivhusgas kan genbruges på en effektiv og miljøvenlig måde med en elektrolysator, der bruger vedvarende elektricitet til at producere rene flydende brændstoffer.

Den katalytiske reaktor udviklet af Rice University laboratoriet af kemisk og biomolekylær ingeniør Haotian Wang bruger kuldioxid som råmateriale og, i sin seneste prototype, producerer højt oprenset og høje koncentrationer af myresyre.

Myresyre produceret af traditionelle kuldioxidanordninger kræver dyre og energikrævende rensningstrin, sagde Wang. Den direkte produktion af rene myresyreopløsninger vil bidrage til at fremme kommercielle kuldioxidomdannelsesteknologier.

Metoden er detaljeret i Naturenergi .

Wang, som kom til Rice's Brown School of Engineering i januar, og hans gruppe forfølger teknologier, der gør drivhusgasser til nyttige produkter. I test, den nye elektrokatalysator nåede en energiomdannelseseffektivitet på omkring 42%. Det betyder, at næsten halvdelen af ​​den elektriske energi kan lagres i myresyre som flydende brændstof.

"Myresyre er en energibærer, " sagde Wang. "Det er et brændselscellebrændstof, der kan generere elektricitet og udsende kuldioxid - som du kan gribe og genbruge igen.

"Det er også grundlæggende i den kemitekniske industri som råmateriale til andre kemikalier, og et lagermateriale til brint, der kan rumme næsten 1, 000 gange energien af ​​samme volumen brintgas, som er svær at komprimere, " sagde han. "Det er i øjeblikket en stor udfordring for brintbrændselscellebiler."

To fremskridt gjorde den nye enhed mulig, sagde hovedforfatter og Rice postdoc-forsker Chuan Xia. Den første var hans udvikling af en robust, todimensionel bismuthkatalysator og den anden en faststofelektrolyt, der eliminerer behovet for salt som en del af reaktionen.

"Bismuth er et meget tungt atom, sammenlignet med overgangsmetaller som kobber, jern eller kobolt, " sagde Wang. "Dens mobilitet er meget lavere, især under reaktionsbetingelser. Så det stabiliserer katalysatoren." Han bemærkede, at reaktoren er struktureret til at forhindre, at vand kommer i kontakt med katalysatoren, hvilket også hjælper med at bevare det.

Xia kan fremstille nanomaterialerne i løs vægt. "I øjeblikket, mennesker producerer katalysatorer på milligram- eller gramskalaen, " sagde han. "Vi udviklede en måde at producere dem på i kilogram skala. Det vil gøre vores proces nemmere at skalere op til industrien."

Den polymerbaserede faste elektrolyt er belagt med sulfonsyreligander for at lede positiv ladning eller aminofunktionelle grupper til at lede negative ioner. "Normalt reducerer folk kuldioxid i en traditionel flydende elektrolyt som saltvand, " sagde Wang. "Du ønsker, at elektriciteten skal ledes, men rent vandelektrolyt er for modstandsdygtig. Du skal tilføje salte som natriumchlorid eller kaliumbicarbonat, så ioner kan bevæge sig frit i vand.

"Men når du genererer myresyre på den måde, det blandes med saltene, " sagde han. "For de fleste applikationer skal du fjerne saltene fra slutproduktet, hvilket kræver meget energi og omkostninger. Så vi brugte faste elektrolytter, der leder protoner og kan være lavet af uopløselige polymerer eller uorganiske forbindelser, eliminerer behovet for salte."

Den hastighed, hvormed vand strømmer gennem produktkammeret, bestemmer koncentrationen af ​​opløsningen. Langsom gennemstrømning med den aktuelle opsætning giver en opløsning, der er næsten 30 vægtprocent myresyre, mens hurtigere flow gør det muligt at tilpasse koncentrationen. Forskerne forventer at opnå højere koncentrationer fra næste generations reaktorer, der accepterer gasstrøm for at bringe rene myresyredampe ud.

Rislaboratoriet arbejdede sammen med Brookhaven National Laboratory for at se den igangværende proces. "Røntgenabsorptionsspektroskopi, en kraftfuld teknik tilgængelig ved Inner Shell Spectroscopy (ISS) beamline ved Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II, sætter os i stand til at undersøge den elektroniske struktur af elektrokatalysatorer i operando - dvs. under selve den kemiske proces, " sagde medforfatter Eli Stavitski, ledende strålelinjeforsker ved ISS. "I dette arbejde, vi fulgte bismuths oxidationstilstande ved forskellige potentialer og var i stand til at identificere katalysatorens aktive tilstand under kuldioxidreduktion."

Med sin nuværende reaktor, laboratoriet genererede myresyre kontinuerligt i 100 timer med ubetydelig nedbrydning af reaktorens komponenter, inklusive katalysatorer i nanoskala. Wang foreslog, at reaktoren let kunne ombygges til at producere produkter af højere værdi som eddikesyre, ethanol eller propanol brændstoffer.

"Det store billede er, at reduktion af kuldioxid er meget vigtig for dens effekt på den globale opvarmning såvel som for grøn kemisk syntese, " sagde Wang. "Hvis elektriciteten kommer fra vedvarende kilder som solen eller vinden, vi kan skabe en sløjfe, der gør kuldioxid til noget vigtigt uden at udsende mere af det."