Opdagelsen kan føre til bæredygtig ethanol fremstillet af kuldioxid

De fleste biler og lastbiler i USA kører på en blanding af 90 procent benzin og 10 procent ethanol, et vedvarende brændstof fremstillet primært af fermenteret majs. Men at producere de 14 milliarder gallons ethanol, der årligt forbruges af amerikanske bilister, kræver millioner af hektar landbrugsjord.

En nylig opdagelse fra Stanford University-forskere kan føre til en ny, mere bæredygtig måde at lave ethanol på uden majs eller andre afgrøder. Denne lovende teknologi har tre grundlæggende komponenter:vand, kuldioxid og elektricitet leveret gennem en kobberkatalysator. Resultaterne er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Et af vores langsigtede mål er at producere vedvarende ethanol på en måde, der ikke påvirker den globale fødevareforsyning, " sagde studielederen Thomas Jaramillo, en lektor i kemiteknik ved Stanford og i fotonvidenskab ved SLAC National Accelerator Laboratory.

Forskere vil gerne designe kobberkatalysatorer, der selektivt omdanner kuldioxid til kemikalier og brændstoffer af højere værdi, som ethanol og propanol, med få eller ingen biprodukter. Men først har de brug for en klar forståelse af, hvordan disse katalysatorer faktisk fungerer. Det er her, de seneste resultater kommer ind.

Kobberkrystaller

For PNAS undersøgelse, Stanford-holdet valgte tre prøver af krystallinsk kobber, kendt som kobber (100), kobber (111) og kobber (751). Forskere bruger disse tal til at beskrive overfladegeometrierne af enkeltkrystaller.

"Kobber (100), (111) og (751) ser næsten identiske ud, men har store forskelle i måden deres atomer er arrangeret på overfladen, " sagde Christopher Hahn, en associeret stab videnskabsmand ved SLAC og co-lead hovedforfatter af undersøgelsen. "Essensen af ​​vores arbejde er at forstå, hvordan disse forskellige facetter af kobber påvirker den elektrokatalytiske ydeevne."

I tidligere undersøgelser, videnskabsmænd havde skabt enkeltkrystal kobberelektroder på kun 1 kvadratmillimeter store.

"Med sådan en lille krystal, det er svært at identificere og kvantificere de molekyler, der produceres på overfladen, " forklarede Hahn. "Dette fører til vanskeligheder med at forstå de kemiske reaktioner, så vores mål var at lave større kobberelektroder med overfladekvaliteten af ​​en enkelt krystal."

For at oprette større prøver, Hahn og hans medarbejdere hos SLAC udviklede en ny måde at dyrke enkeltkrystallignende kobber på toppen af ​​store vafler af silicium og safir.

"Det, Chris gjorde, var fantastisk, " sagde Jaramillo. "Han lavede film af kobber (100), (111) og (751) med 6 kvadratcentimeter overflader. Det er 600 gange større end typiske enkeltkrystaller.

Katalytisk ydeevne

For at sammenligne elektrokatalytisk ydeevne, forskerne placerede de tre store elektroder i vand, udsatte dem for kuldioxidgas og anvendte et potentiale til at generere en elektrisk strøm.

Resultaterne var klare. Når en bestemt spænding blev påført, elektroderne lavet af kobber (751) var langt mere selektive over for flydende produkter, såsom ethanol og propanol, end dem, der er lavet af kobber (100) eller (111). Forklaringen kan ligge i de forskellige måder, hvorpå kobberatomer er rettet ind på de tre overflader.

"I kobber (100) og (111), overfladeatomerne er pakket tæt sammen, som et firkantet gitter og en honningkage, henholdsvis" sagde Hahn. "Som et resultat, hvert atom er bundet til mange andre atomer omkring det, og det har en tendens til at gøre overfladen mere inert."

Men i kobber (751), overfladeatomerne er længere fra hinanden.

"Et kobberatom (751) har kun to nærmeste naboer, " sagde Hahn. "Men et atom, der ikke er bundet til andre atomer, er ret ulykkeligt, og det gør, at den ønsker at binde sig stærkere til indkommende reaktanter som kuldioxid. Vi mener, at dette er en af ​​nøglefaktorerne, der fører til bedre selektivitet til produkter af højere værdi, som ethanol og propanol."

Ultimativt, Stanford-teamet vil gerne udvikle en teknologi, der er i stand til selektivt at producere kulstofneutrale brændstoffer og kemikalier i industriel skala.

"Øjet på prisen er at skabe bedre katalysatorer, der har potentiale til at ændre spil ved at tage kuldioxid som råmateriale og omdanne det til meget mere værdifulde produkter ved hjælp af vedvarende elektricitet eller direkte sollys, " sagde Jaramillo. "Vi planlægger at bruge denne metode på nikkel og andre metaller for yderligere at forstå kemien ved overfladen. Vi mener, at denne undersøgelse er en vigtig brik i puslespillet og vil åbne helt nye forskningsmuligheder for samfundet."

Jaramillo tjener også som vicedirektør for SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, et partnerskab mellem Stanford School of Engineering og SLAC.

Undersøgelsen blev også skrevet af co-lead forfatter Toru Hatsukade, Drew Higgins og Stephanie Nitopi på Stanford; Youn-Geun Kim hos SLAC; og Jack Baricuatro og Manuel Soriaga ved California Institute of Technology.