Kobberkatalysator giver højeffektiv CO2-til-brændstofkonvertering

Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet en ny elektrokatalysator, der direkte kan omdanne kuldioxid til multicarbon-brændstoffer og alkoholer ved hjælp af rekordlave tilførsler af energi. Arbejdet er det seneste i en runde af undersøgelser, der kommer ud af Berkeley Lab, der tackler udfordringen med at skabe et rent kemisk fremstillingssystem, der kan bruge kuldioxid til gavn.

I den nye undersøgelse, offentliggjort i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), et team ledet af Berkeley Lab -videnskabsmanden Peidong Yang opdagede, at en elektrokatalysator bestående af kobbernanopartikler gav de nødvendige betingelser for at nedbryde kuldioxid til dannelse af ethylen, ethanol, og propanol.

Alle disse produkter indeholder to til tre kulstofatomer, og alle betragtes som produkter af høj værdi i det moderne liv. Ethylen er den grundlæggende ingrediens, der bruges til fremstilling af plastfilm og -flasker samt polyvinylchlorid (PVC) rør. Ethanol, almindeligvis lavet af biomasse, har allerede etableret sin plads som et biobrændstoftilsætningsstof til benzin. Mens propanol er et meget effektivt brændstof, det er i øjeblikket for dyrt at fremstille til at kunne bruges til det formål.

For at måle katalysatorens energieffektivitet, forskere overvejer produkternes termodynamiske potentiale - mængden af ​​energi, der kan opnås i en elektrokemisk reaktion - og mængden af ​​ekstra spænding, der er nødvendig over det termodynamiske potentiale for at drive reaktionen ved tilstrækkelige reaktionshastigheder. Den ekstra spænding kaldes overpotentialet; jo lavere overpotentiale, jo mere effektiv er katalysatoren.

"Det er nu ret almindeligt på dette område at lave katalysatorer, der kan producere multicarbon-produkter ud fra CO2, men disse processer fungerer typisk ved høje overpotentialer på 1 volt for at opnå mærkbare mængder, " sagde Yang, en højtstående fakultetsforsker ved Berkeley Labs Materials Sciences Division. "Det, vi rapporterer her, er meget mere udfordrende. Vi opdagede en katalysator til kuldioxidreduktion, der opererer ved høj strømtæthed med et rekordlavt overpotentiale, der er omkring 300 millivolt mindre end typiske elektrokatalysatorer."

Kubelignende kobber

Forskerne karakteriserede elektrokatalysatoren ved Berkeley Labs Molecular Foundry ved hjælp af en kombination af røntgenfotoelektronspektroskopi, transmissionselektronmikroskopi, og scanningselektronmikroskopi.

Katalysatoren bestod af tætpakkede kobberkugler, hver omkring 7 nanometer i diameter, lagt ovenpå karbonpapir på en tætpakket måde. Forskerne fandt ud af, at i den meget tidlige periode med elektrolyse, klynger af nanopartikler smeltet sammen og omdannet til terninglignende nanostrukturer. De terninglignende former varierede i størrelse fra 10 til 40 nanometer.

"Det er efter denne overgang, at reaktionerne for at danne multicarbon-produkter opstår, " sagde studielederforfatter Dohyung Kim, en kandidatstuderende i Berkeley Lab's Chemical Sciences Division og ved UC Berkeley's Department of Materials Science and Engineering. "Vi forsøgte at starte med præformede kobberterninger i nanoskala, men det gav ikke væsentlige mængder af multicarbon-produkter. Det er denne strukturelle ændring i realtid fra kobbernanosfærer til de terninglignende strukturer, der letter dannelsen af ​​multicarbonkulbrinter og oxygenater."

Præcis hvordan det sker, er stadig uklart, sagde Yang, som også er professor ved UC Berkeleys afdeling for materialevidenskab og teknik.

"Det, vi ved, er, at denne unikke struktur giver et gavnligt kemisk miljø for CO2 -omdannelse til multicarbonprodukter, " sagde han. "De terninglignende former og tilhørende grænseflade kan være et ideelt mødested, hvor kuldioxid, vand, og elektroner kan komme sammen."

Mange veje i CO2-til-brændstof-rejsen

Denne seneste undersøgelse eksemplificerer, hvordan reduktion af kuldioxid er blevet et mere og mere aktivt område inden for energiforskning i løbet af de sidste mange år. I stedet for at udnytte solens energi til at omdanne kuldioxid til planteføde, kunstig fotosyntese søger at bruge de samme startingredienser til at producere kemiske prækursorer, der almindeligvis anvendes i syntetiske produkter såvel som brændstoffer som ethanol.

Forskere ved Berkeley Lab har påtaget sig forskellige aspekter af denne udfordring, såsom kontrol af produktet, der kommer ud af de katalytiske reaktioner. For eksempel, i 2016, et hybrid halvleder-bakteriesystem blev udviklet til produktion af acetat fra CO2 og sollys. Tidligere i år, et andet forskerhold brugte en fotokatalysator til at konvertere kuldioxid næsten udelukkende til kulilte. For nylig, en ny katalysator blev rapporteret til effektiv produktion af syntesegasblandinger, eller syngas.

Forskere har også arbejdet på at øge energieffektiviteten af ​​reduktion af kuldioxid, så systemer kan skaleres op til industriel brug.

Et nyligt papir ledet af Berkeley Lab-forskere ved Joint Center for Artificial Photosynthesis udnytter grundlæggende videnskab til at vise, hvordan optimering af hver komponent i et helt system kan nå målet om soldrevet brændstofproduktion med imponerende energieffektivitet.

Denne nye PNAS undersøgelse fokuserer på effektiviteten af ​​katalysatoren snarere end et helt system, men forskerne påpeger, at katalysatoren kan tilsluttes en række forskellige vedvarende energikilder, herunder solceller.

"Ved at bruge værdier, der allerede er etableret for andre komponenter, såsom kommercielle solceller og elektrolysatorer, vi fremskriver energieffektiviteter fra el-til-produkt og sol-til-produkt op til 24,1 og 4,3 procent for to til tre kulstofprodukter, henholdsvis, " sagde Kim.

Kim vurderer, at hvis denne katalysator blev inkorporeret i en elektrolysator som en del af et solbrændstofsystem, et materiale på kun 10 kvadratcentimeter kunne producere omkring 1,3 gram ethylen, 0,8 gram ethanol, og 0,2 gram propanol om dagen.

"Med fortsatte forbedringer af individuelle komponenter i et solbrændstofsystem, disse tal bør blive ved med at forbedre sig over tid, " han sagde.