Hvorfor nogle forsøg på at omdanne drivhusgassen til brændstof er mislykkedes

Hvis forskerne kunne finde en måde at kemisk omdanne kuldioxid til brændstoffer eller andre produkter, kunne de gøre et stort indhug i drivhusgasemissionerne. Men mange sådanne processer, der har virket lovende i laboratoriet, har ikke fungeret som forventet i opskalerede formater, der ville være egnede til brug med et kraftværk eller andre emissionskilder.

Nu har forskere ved MIT identificeret, kvantificeret og modelleret en væsentlig årsag til dårlig ydeevne i sådanne konverteringssystemer. Synderen viser sig at være en lokal udtømning af kuldioxidgassen lige ved siden af ​​elektroderne, der bruges til at katalysere omdannelsen. Problemet kan afhjælpes, fandt holdet, ved blot at pulsere strømmen til og fra med bestemte intervaller, hvilket giver tid til, at gassen kan bygge sig op igen til de nødvendige niveauer ved siden af ​​elektroden.

Resultaterne, som kunne anspore til fremskridt med at udvikle en række materialer og designs til elektrokemiske kuldioxid-omdannelsessystemer, blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Langmuir , i et papir af MIT postdoc Álvaro Moreno Soto, kandidatstuderende Jack Lake og professor i maskinteknik Kripa Varanasi.

"Reduktion af kuldioxid er, tror jeg, en af ​​vores tids vigtige udfordringer," siger Varanasi. Mens meget af forskningen på området har fokuseret på kulstoffangst og -sekvestrering, hvor gassen pumpes ind i en form for dybt underjordisk reservoir eller omdannes til et inert fast stof såsom kalksten, har en anden lovende vej været at omdanne gassen til andet kulstof forbindelser såsom methan eller ethanol, der skal bruges som brændstof, eller ethylen, der tjener som en forløber for nyttige polymerer.

Der er flere måder at udføre sådanne konverteringer på, herunder elektrokemiske, termokatalytiske, fototermiske eller fotokemiske processer. "Hver af disse har problemer eller udfordringer," siger Varanasi. De termiske processer kræver meget høj temperatur, og de producerer ikke særlig højværdi kemiske produkter, hvilket også er en udfordring med de lysaktiverede processer, siger han. "Effektivitet er altid på spil, altid et problem."

Holdet har fokuseret på de elektrokemiske tilgange med et mål om at få "produkter med højere C" - forbindelser, der indeholder flere kulstofatomer og har tendens til at være brændstoffer af højere værdi på grund af deres energi pr. vægt eller volumen. I disse reaktioner har den største udfordring været at bremse konkurrerende reaktioner, der kan finde sted på samme tid, især spaltningen af ​​vandmolekyler til oxygen og brint.

Reaktionerne foregår som en strøm af flydende elektrolyt med kuldioxiden opløst i den passerer over en katalytisk metaloverflade, der er elektrisk ladet. Men efterhånden som kuldioxiden bliver omdannet, efterlader den et område i elektrolytstrømmen, hvor det i det væsentlige er blevet brugt op, og derfor vender reaktionen i denne udtømte zone mod vandspaltning i stedet. Denne uønskede reaktion bruger energi og reducerer i høj grad den samlede effektivitet af konverteringsprocessen, fandt forskerne.

"Der er en række grupper, der arbejder på dette, og en række katalysatorer, der er derude," siger Varanasi. "I alle disse, tror jeg, at brint-co-evolutionen bliver en flaskehals."

En måde at modvirke denne udtømning, fandt de, kan opnås ved et pulseret system - en cyklus, hvor man simpelthen slukker for spændingen, standser reaktionen og giver kuldioxiden tid til at sprede sig tilbage i den udtømte zone og nå brugbare niveauer igen, og derefter genoptage reaktionen.

Ofte, siger forskerne, har grupper fundet lovende katalysatormaterialer, men har ikke kørt deres laboratorietest længe nok til at observere disse udtømningseffekter og har derfor været frustrerede over at forsøge at skalere deres systemer op. Desuden dikterer koncentrationen af ​​kuldioxid ved siden af ​​katalysatoren, hvilke produkter der fremstilles. Derfor kan udtømning også ændre blandingen af ​​produkter, der produceres, og kan gøre processen upålidelig. "Hvis du vil være i stand til at lave et system, der fungerer i industriel skala, skal du være i stand til at køre tingene over en lang periode," siger Varanasi, "og du skal ikke have den slags effekter, der reducerer effektivitet eller pålidelighed af processen."

Holdet studerede tre forskellige katalysatormaterialer, inklusive kobber, og "vi fokuserede virkelig på at sikre, at vi forstod og kan kvantificere udtømningseffekterne," siger Lake. I processen var de i stand til at udvikle en enkel og pålidelig måde at overvåge effektiviteten af ​​konverteringsprocessen, mens den sker, ved at måle de skiftende pH-niveauer, et mål for surhedsgrad, i systemets elektrolyt.

I deres test brugte de mere sofistikerede analytiske værktøjer til at karakterisere reaktionsprodukter, herunder gaskromatografi til analyse af de gasformige produkter og kernemagnetisk resonanskarakterisering for systemets flydende produkter. Men deres analyse viste, at den simple pH-måling af elektrolytten ved siden af ​​elektroden under drift kunne give et tilstrækkeligt mål for effektiviteten af ​​reaktionen, efterhånden som den skred frem.

Denne evne til nemt at overvåge reaktionen i realtid kunne i sidste ende føre til et system, der er optimeret ved maskinlæringsmetoder, der kontrollerer produktionshastigheden af ​​de ønskede forbindelser gennem kontinuerlig feedback, siger Moreno Soto.

Nu hvor processen er forstået og kvantificeret, kan andre tilgange til at afbøde kuldioxidudtømningen blive udviklet, siger forskerne, og de kan let testes ved hjælp af deres metoder.

Dette arbejde viser, siger Lake, at "uanset hvad dit katalysatormateriale er" i sådan et elektrokatalytisk system, "vil du blive påvirket af dette problem." Og nu, ved at bruge den model, de udviklede, er det muligt at bestemme præcis, hvilken slags tidsvindue der skal evalueres for at få en præcis fornemmelse af materialets samlede effektivitet, og hvilken slags systemoperationer der kan maksimere dets effektivitet.