Katalyserende kuldioxid:Systemet kan omdanne CO2 til CO til brug i industrien

På en given dag, mere end 2 millioner pund kuldioxid pumpes ud i atmosfæren fra fabrikker, emissioner fra biler og lastbiler og afbrænding af kul og naturgas for at generere elektricitet.

For mange, det er en grund til miljøbekymring, men for Haotian Wang, det er det perfekte råmateriale.

Fellow ved Rowland Institute ved Harvard, Wang og hans forskerhold har udviklet et system, der bruger vedvarende elektricitet til elektrokemisk at omdanne kuldioxid til kulilte - en nøglevare, der bruges i en række industrielle processer. Energikonverteringseffektiviteten fra sollys til CO kan være så høj som 12,7 %, mere end en størrelsesorden højere end naturlig fotosyntese. Enheden er beskrevet i et nyligt papir offentliggjort i Chem .

"I bund og grund, hvad dette er, er en form for kunstig fotosyntese, " sagde Wang. "I en plante, sollys, CO2 og vand bliver til sukker og ilt. I vores system, input er sollys, CO2 og vand, og vi producerer CO og ilt."

Den reaktion finder sted i en beskedent udseende enhed, knap på størrelse med en smartphone, som omfatter to elektrolytfyldte kamre adskilt af en ionbyttermembran.

På et websted, en elektrode drevet af vedvarende energi oxiderer vandmolekyler til oxygengas og frigør protoner. Disse protoner bevæger sig til det andet kammer, hvor de - ved hjælp af en omhyggeligt designet enkeltatommetalkatalysator - binder sig til kuldioxidmolekyler, at skabe vand og kulilte.

"Udfordringen er, at de fleste kendte katalysatorer har tendens til at producere hydrogengas, " sagde Wang. "Så det er svært, når du spalter vand, at forhindre disse protoner i at kombinere sammen og danne brintgas. Det, vi havde brug for, var en katalysator, der kan forhindre brintudvikling og i stedet effektivt kan injicere disse protoner i CO2, dermed opnå en høj selektivitet for CO2-reduktion."

Desværre, de to bedst kendte sådanne katalysatorer er guld og sølv - ædelmetaller, der er meget dyre at gøre reaktionen omkostningseffektiv i stor skala.

"Så vi begyndte med at se på billige materialer som nikkel, jern og kobolt, som alle er rige på jorden, "Kun Jiang sagde, som er postdoc i Wang-gruppen og den første forfatter til dette arbejde. "Men problemet er, at de alle er meget gode brintkatalysatorer, så de vil producere brintgas.

Ud over, de kan alle meget let blive forgiftet af kulilte, " tilføjede han. "Selv hvis du formår at bruge dem til at reducere CO2, den resulterende CO binder sig meget stærkt til overfladen, forhindrer yderligere reaktioner i at finde sted. "

For at løse disse problemer, Wang og hans Stanford -samarbejdspartnere, Prof. Yi Cui og Prof. Jens Nørskov, gået i gang med at "tune" metallernes elektroniske egenskaber. Dr. Samira Siahrostami, en stabsforsker fra Prof. Nørskov-gruppen rationaliserede naturen af ​​aktive steder ved modellering i atomskala og opdagede, at spredning af nikkelmetaller i isolerede enkeltatomer, som er fanget i ledige stillinger i grafen, produceret et materiale, der var ivrig efter at reagere med kuldioxid og villig til at frigive den resulterende kulilte.

Det kulilte, Wang sagde, kan derefter bruges i en lang række industrielle processer.

"Kulmonoxid er et meget vigtigt industriprodukt, " sagde Wang. "Det kan bruges i plastproduktion, at lave kulbrinteprodukter eller kan brændes som brændstof selv. Det er meget udbredt i industrien. "

Ultimativt, selvom, håbet er, at systemet en dag kan blive opskaleret nok til at skrubbe kuldioxid fra atmosfæren i et forsøg på at bekæmpe de globale klimaforandringer.

"Den grundlæggende idé var, om vi kan opfange eksisterende CO2 og bruge vedvarende elektricitet, fra sol- eller vindkraft, at reducere det til nyttige kemikalier, " sagde Wang, "så kan vi muligvis danne en kulstofløkke."