Kunstig fotosyntese får et stort løft fra ny katalysator

En ny katalysator skabt af U of T Engineering-forskere bringer dem et skridt tættere på kunstig fotosyntese - et system, der, ligesom planter, ville bruge vedvarende energi til at omdanne kuldioxid (CO2) til lagret kemisk energi. Ved både at opfange kulstofemissioner og lagre energi fra sol- eller vindkraft, opfindelsen giver et enkelt slag i kampen mod klimaændringer.

"Carbonopsamling og vedvarende energi er to lovende teknologier, men der er problemer, "siger Phil De Luna, en af ​​hovedforfatterne til et papir offentliggjort i dag i Naturkemi . "Carbon capture -teknologien er dyr, og sol- og vindkraft er intermitterende. Du kan bruge batterier til at lagre energi, men et batteri kommer ikke til at drive et fly over Atlanterhavet eller opvarme et hjem hele vinteren:til det har du brug for brændstoffer. "

De Luna og hans co-lead forfattere Xueli Zheng og Bo Zhang - som udførte deres arbejde under supervision af professor Ted Sargent - sigter mod at løse begge udfordringer på én gang, og de søger inspiration i naturen. De designer et kunstigt system, der efterligner, hvordan planter og andre fotosyntetiske organismer bruger sollys til at omdanne CO2 og vand til molekyler, som mennesker senere kan bruge til brændstof.

Som i planter, deres system består af to forbundne kemiske reaktioner:en, der spalter H2O i protoner og oxygengas, og en anden, der omdanner CO2 til kulilte, eller CO. (CO'en kan derefter omdannes til kulbrintebrændstoffer gennem en etableret industriel proces kaldet Fischer-Tropsch-syntese).

"I løbet af de sidste par år, vores team har udviklet meget højtydende katalysatorer til både den første og den anden reaktion, " siger Zhang, som bidrog til arbejdet, mens han var post-doc ved U of T og nu er professor ved Fudan University. "Men mens den anden katalysator fungerer under neutrale forhold, den første katalysator kræver høje pH-niveauer for at være mest aktiv."

Det betyder, at når de to kombineres, den samlede proces er ikke så effektiv, som den kunne være, da energi går tabt, når ladede partikler flyttes mellem de to dele af systemet.

Holdet har nu overvundet dette problem ved at udvikle en ny katalysator til den første reaktion - den, der opdeler vand til protoner og oxygengas. I modsætning til den tidligere katalysator, denne virker ved neutral pH, og under disse betingelser yder den bedre end nogen anden tidligere rapporteret katalysator.

"Det har en lav overpotentiale, hvilket betyder mindre elektrisk energi er nødvendig for at drive reaktionen fremad, " siger Zheng, som nu er postdoktor ved Stanford University. "Oven i købet, at have en katalysator, der kan arbejde ved samme neutrale pH som CO2-omdannelsesreaktionen, reducerer cellens samlede potentiale."

I avisen, teamet rapporterer systemets samlede elektrisk-til-kemiske effektomdannelseseffektivitet til 64 procent. Ifølge De Luna, dette er den højeste værdi, der nogensinde er opnået for et sådant system, herunder deres tidligere, som kun nåede 54 pct.

Den nye katalysator er lavet af nikkel, jern, kobolt og fosfor, alle elementer, der er billige og udgør få sikkerhedsrisici. Det kan syntetiseres ved stuetemperatur ved hjælp af relativt billigt udstyr, og teamet viste, at det forblev stabilt, så længe de testede det, i alt 100 timer.

Bevæbnet med deres forbedrede katalysator, Sargent -laboratoriet arbejder nu på at bygge deres kunstige fotosyntesesystem i pilotskala. Målet er at opfange CO2 fra røggas – f.eks. fra et naturgasbrændende kraftværk - og brug det katalytiske system til effektivt at omdanne det til flydende brændstoffer.

"Vi skal bestemme de rigtige driftsbetingelser:gennemstrømningshastighed, koncentration af elektrolyt, elektrisk potentiale, "siger De Luna." Fra dette tidspunkt og frem, det hele er ingeniørarbejde."

Holdet og deres opfindelse er semifinalister i NRG COSIA Carbon XPRIZE, en udfordring på 20 millioner dollars om at "udvikle banebrydende teknologier, der vil konvertere CO? -emissioner fra kraftværker og industrielle faciliteter til værdifulde produkter."

Projektet var resultatet af et internationalt og tværfagligt samarbejde. Den canadiske lyskilde i Saskatchewan leverede de højenergi-røntgenstråler, der blev brugt til at undersøge katalysatorens elektroniske egenskaber. Molekylært støberi ved US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory udførte teoretisk modelleringsarbejde. Finansiel støtte og naturalydelser blev ydet af Rådet for Naturvidenskab og Ingeniørforskning, Canada Foundation for Innovation, Tianjin Universitet, Fudan University og Beijings lyskilde.

Hvad angår det, der har holdt ham motiveret gennem hele projektet, De Luna peger på muligheden for at få indflydelse på nogle af samfundets største miljøudfordringer.

"At se den hurtige fremgang inden for feltet har været ekstremt spændende, " siger han. "Ved hver ugentlig eller månedlig konference, vi har i vores laboratorium, folk smadrer rekorder til venstre og højre. Der er stadig meget plads til at vokse, men jeg nyder virkelig forskningen, og CO2 -emissioner er så store, at enhver forbedring føles som en reel bedrift. "