Omdannelse af CO2 til brugbar energi

Forestil dig, hvis kuldioxid (CO ₂ ) nemt kunne omdannes til brugbar energi. Hver gang du trækker vejret eller kører et motorkøretøj, du ville producere en nøgleingrediens til at generere brændstoffer. Ligesom fotosyntese i planter, vi kunne slå CO ₂ til molekyler, der er afgørende for det daglige liv. Nu, videnskabsmænd er et skridt nærmere.

Forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory er en del af et videnskabeligt samarbejde, der har identificeret en ny elektrokatalysator, der effektivt omdanner CO ₂ til kulilte (CO), et meget energisk molekyle. Deres resultater blev offentliggjort den 1. februar i Energi- og miljøvidenskab .

"Der er mange måder at bruge CO på, sagde Eli Stavitski, en videnskabsmand ved Brookhaven og en forfatter på papiret. "Du kan reagere det med vand for at producere energirig brintgas, eller med brint til at producere nyttige kemikalier, såsom carbonhydrider eller alkoholer. Hvis der var en bæredygtig, omkostningseffektiv vej til at omdanne CO ₂ at samarbejde, det ville gavne samfundet meget."

Forskere har længe søgt en måde at omdanne CO ₂ at samarbejde, men traditionelle elektrokatalysatorer kan ikke effektivt initiere reaktionen. Det er fordi en konkurrerende reaktion, kaldet hydrogenudviklingsreaktionen (HER) eller "vandspaltning, " har forrang over CO ₂ omdannelsesreaktion.

Nogle få ædle metaller, såsom guld og platin, kan undgå HENDE og konvertere CO ₂ at samarbejde; imidlertid, disse metaller er relativt sjældne og for dyre til at tjene som omkostningseffektive katalysatorer. Så, at omdanne CO ₂ til CO på en omkostningseffektiv måde, videnskabsmænd brugte en helt ny form for katalysator. I stedet for ædelmetal nanopartikler, de brugte enkelte nikkelatomer.

"Nikkelmetal, i bulk, er sjældent blevet udvalgt som en lovende kandidat til at omdanne CO ₂ at samarbejde, " sagde Haotian Wang, en Rowland Fellow ved Harvard University og den tilsvarende forfatter på papiret. "En grund er, at den præsterer HENDE meget godt, og nedbringer CO ₂ reduktionsselektivitet dramatisk. En anden grund er, fordi dens overflade let kan blive forgiftet af CO-molekyler, hvis der produceres nogen."

Enkelte atomer af nikkel, imidlertid, give et andet resultat.

"Enkelte atomer foretrækker at producere CO, i stedet for at udføre den konkurrerende HENDE, fordi overfladen af ​​et bulkmetal er meget forskellig fra individuelle atomer, " sagde Stavitski.

Klaus Attenkofer, også en Brookhaven videnskabsmand og en medforfatter på papiret, tilføjet, "Et metals overflade har ét energipotentiale - den er ensartet. Hvorimod på et enkelt atom, hvert sted på overfladen har en anden slags energi."

Ud over de unikke energetiske egenskaber ved enkelte atomer, CO ₂ samtalereaktion blev lettet af nikkelatomernes interaktion med et omgivende ark grafen. Forankringen af ​​atomerne til grafen gjorde det muligt for forskerne at indstille katalysatoren og undertrykke HER.

For at få et nærmere kig på de individuelle nikkelatomer i det atomare tynde grafenark, forskerne brugte scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) på Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science brugerfacilitet. Ved at scanne en elektronsonde over prøven, forskerne var i stand til at visualisere diskrete nikkelatomer på grafenen.

"Vores avancerede transmissionselektronmikroskop er et unikt værktøj til at se ekstremt små funktioner, såsom enkelte atomer, " sagde Sooyeon Hwang, en videnskabsmand ved CFN og en medforfatter på papiret.

"Enkelte atomer er sædvanligvis ustabile og har tendens til at aggregere på understøtningen, " tilføjede Dong Su, også en CFN-forsker og en medforfatter på papiret. "Imidlertid, vi fandt ud af, at de individuelle nikkelatomer var fordelt ensartet, hvilket stod for den fremragende ydeevne af konverteringsreaktionen."

For at analysere den kemiske kompleksitet af materialet, forskerne brugte beamline 8-ID ved National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - også en DOE Office of Science User Facility ved Brookhaven Lab. Det ultra-lyse røntgenlys ved NSLS-II gjorde det muligt for forskerne at "se" et detaljeret billede af materialets indre struktur.

"Foton, eller partikler af lys, interagerer med elektronerne i nikkelatomerne for at gøre to ting, " sagde Stavitski. "De sender elektronerne til højere energitilstande og, ved at kortlægge disse energitilstande, vi kan forstå den elektroniske konfiguration og den kemiske tilstand af materialet. Når vi øger fotonernes energi, de sparker elektronerne væk fra atomerne og interagerer med de tilstødende elementer." dette gav forskerne et billede af nikkelatomernes lokale struktur.

Baseret på resultaterne fra undersøgelserne på Harvard, NSLS-II, CFN, og yderligere institutioner, forskerne opdagede, at enkelte nikkelatomer katalyserede CO ₂ omdannelsesreaktion med en maksimal effektivitet på 97 procent. Forskerne siger, at dette er et stort skridt mod genanvendelse af CO ₂ til brugbar energi og kemikalier.

"For at anvende denne teknologi til rigtige applikationer i fremtiden, vi er i øjeblikket rettet mod at producere denne enkeltatomkatalysator på en billig og storstilet måde, samtidig med at dens ydeevne forbedres og dens effektivitet bevares, " sagde Wang.