Ny lysaktiveret katalysator fanger CO2 for at lave ingredienser til brændstof

Forskere har udviklet et lysaktiveret materiale, der kemisk kan omdanne kuldioxid til kulilte uden at generere uønskede biprodukter. Præstationen markerer et væsentligt skridt fremad i udviklingen af ​​teknologi, der kan hjælpe med at generere brændstof og andre energirige produkter ved hjælp af en solcelledrevet katalysator og samtidig afbøde niveauet af en potent drivhusgas.

Når de udsættes for synligt lys, materialet, en "svampet" nikkel organisk krystallinsk struktur, omdannede kuldioxid (CO2) i et reaktionskammer udelukkende til kulilte (CO) gas, som yderligere kan omdannes til flydende brændstoffer, opløsningsmidler, og andre nyttige produkter.

Et internationalt forskerhold ledet af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Nanyang Technological University (NTU) i Singapore offentliggjorde arbejdet den 28. juli i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

"Vi viser en næsten 100 procent selektivitet af CO-produktion, uden påvisning af konkurrerende gasprodukter som brint eller metan, " sagde Haimei Zheng, stabsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og co-korresponderende forfatter til undersøgelsen. "Det er en stor sag. Inden for kuldioxidreduktion, du ønsker at komme væk med ét produkt, ikke en blanding af forskellige ting."

At slippe af med konkurrencen

I kemi, reduktion refererer til forstærkningen af ​​elektroner i en reaktion, mens oxidation er, når et atom mister elektroner. Blandt de velkendte eksempler på reduktion af kuldioxid er fotosyntesen, når planter overfører elektroner fra vand til kuldioxid, mens de skaber kulhydrater og ilt.

Kuldioxidreduktion har brug for katalysatorer for at hjælpe med at bryde molekylets stabile bindinger. Interessen for at udvikle katalysatorer til soldrevet reduktion af kuldioxid til at generere brændstoffer er steget med det hurtige forbrug af fossile brændstoffer i det seneste århundrede, og med ønsket om vedvarende energikilder.

Forskere har været særligt opsatte på at eliminere konkurrerende kemiske reaktioner i reduktionen af ​​kuldioxid.

"Fuldstændig undertrykkelse af den konkurrerende brintudvikling under en fotokatalytisk CO2-til-CO-konvertering var ikke blevet opnået før vores arbejde, " sagde Zheng.

På Berkeley Lab, Zheng og hendes kolleger udviklede en innovativ laserkemisk metode til at skabe et metal-organisk kompositmateriale. De opløste nikkelprækursorer i en opløsning af triethylenglycol og udsatte opløsningen for en ufokuseret infrarød laser, som udløste en kædereaktion i opløsningen, da metallet absorberede lyset. Den resulterende reaktion dannede metal-organiske kompositter, der derefter blev separeret fra opløsningen.

"Da vi ændrede laserens bølgelængde, vi ville få forskellige kompositter, " sagde studielederforfatter Kaiyang Niu, en materialeforsker i Zhengs laboratorium. "Det var sådan, vi fandt ud af, at reaktionerne var lysaktiverede i stedet for varmeaktiverede."

Forskerne karakteriserede strukturen af ​​materialet på Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility ved Berkeley Lab. Den nikkel-organiske fotokatalysator havde bemærkelsesværdige ligheder med metal-organiske rammer, eller MOF'er. Mens MOF'er har en regulær krystallinsk struktur med stive linkere mellem de organiske og uorganiske komponenter, denne nye fotokatalysator inkorporerer en blanding af bløde linkere af varierende længde forbundet med nikkel, skabe fejl i arkitekturen.

"De resulterende defekter er bevidste, skabe flere porer og steder, hvor katalytiske reaktioner kan forekomme, " sagde Niu. "Dette nye materiale er mere aktivt og meget selektivt sammenlignet med MOF'er fremstillet ved traditionel opvarmning."

Reduktion af CO2 til CO

Forskere ved NTU testede det nye materiale i et gaskammer fyldt med kuldioxid, måling af reaktionsprodukterne ved hjælp af gaskromatografi og massespektrometriteknikker med regelmæssige tidsintervaller. De fastslog, at om en time ved stuetemperatur, 1 gram af den nikkel-organiske katalysator var i stand til at producere 16, 000 mikromol, eller 400 milliliter, af kulilte. I øvrigt, de fastslog, at katalysatoren havde et lovende stabilitetsniveau, der gjorde det muligt at bruge den i længere tid.

Reduktionen af ​​kuldioxid med katalysatorer er ikke ny, men andre materialer genererer typisk flere kemikalier i processen. Den næsten totale produktion af kulilte med dette materiale repræsenterede et nyt niveau af selektivitet og kontrol, understregede forskerne.

Forskerne har nogle tanker om, hvordan denne selektivitet opstår. De foreslår, at arkitekturen af ​​deres fotokatalysator gør det lettere for kuldioxidanioner at binde til reaktionssteder, efterlader lidt plads til, at brintradikaler kan lande. Dette ville begrænse de protonoverførsler, der er nødvendige for at danne brintgas, sagde forskerne.

Forskerne pressede den nikkel-organiske fotokatalysator yderligere ved at berige den med rhodium- eller sølvnanokrystaller for at skabe myresyre og eddikesyre, henholdsvis. myresyre, fundet i myregift og brændenælder, og eddikesyre, hovedbestanddelen af ​​eddike, bruges begge meget i industrien. Vigtigere, forskerne bemærkede, molekylerne i disse produkter er karakteriseret ved to-carbon-forbindelser, et skridt i retning af generering af flydende brændstoffer med højere energi med flere kulstofbindinger

"Verden har lige nu brug for innovative måder at skabe alternativer til fossile brændstoffer på, og for at dæmme op for niveauet af overdreven CO2 i atmosfæren, " sagde Zheng. "Konvertering af CO2 til brændstoffer ved hjælp af solenergi er en global forskningsindsats. Den svampede nikkel-organiske fotokatalysator, vi demonstrerede her, er et kritisk skridt mod praktisk produktion af højværdi multi-carbon brændstoffer ved hjælp af solenergi."