Ny katalysator opgraderer drivhusgas til vedvarende kulbrinter

En ny teknologi fra U of T Engineering tager et væsentligt skridt hen imod at gøre det muligt for producenterne at skabe plast ud af to nøgleingredienser:solskin og forurening.

I dag, ikke-vedvarende fossile brændstoffer udgør ikke kun det råmateriale, som plast er fremstillet af, de er også det brændstof, der brændes for at drive fremstillingsprocessen, producerer klimavarmende kuldioxid (CO ₂ )—Det Internationale Energiagentur vurderer, at produktionen af ​​de vigtigste prækursorer til plast er ansvarlig for 1,4 procent af den globale CO2 ₂ emissioner.

Et hold ledet af professor ved University of Toronto, Ted Sargent, vender denne proces på hovedet. De forestiller sig at fange CO ₂ produceret ved andre industrielle processer og ved hjælp af vedvarende elektricitet - såsom solenergi - for at omdanne den til ethylen. Ethylen er et almindeligt industrikemikalie, der er en forløber for mange plastik, som dem der bruges i indkøbsposer.

Systemet løser en central udfordring forbundet med kulstoffangst. Mens der findes teknologi til at filtrere og udvinde CO ₂ fra røggasser, stoffet har i øjeblikket ringe økonomisk værdi, der kan opveje omkostningerne ved at fange det - det er et forslag, der går tabt. Ved at omdanne dette kulstof til et kommercielt værdifuldt produkt som ethylen, holdet sigter mod at øge incitamenterne for virksomheder til at investere i kulstoffangstteknologi.

Kernen i holdets løsning er to innovationer:Brug af en kontraintuitivt tynd kobberbaseret katalysator og en nytænkt eksperimentel strategi.

"Da vi udførte CO ₂ omdannelse til ethylen i meget basiske medier, vi fandt ud af, at vores katalysator forbedrede både energieffektiviteten og selektiviteten af ​​konverteringen til de højeste niveauer, der nogensinde er registreret, " sagde post-doc dr. Cao-Thang Dinh, den første forfatter på papiret offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab . I denne sammenhæng, effektivitet betyder, at der kræves mindre strøm for at gennemføre konverteringen. Forfatterne brugte derefter denne viden til yderligere at forbedre katalysatoren og skubbe reaktionen til at favorisere dannelsen af ​​ethylen, i modsætning til andre stoffer.

Næste, holdet adresserede stabilitet, hvilket længe har været en udfordring med denne type kobberbaserede katalysatorer. Teoretisk modellering viser, at grundlæggende betingelser – dvs. høje pH-niveauer - er ideelle til at katalysere CO ₂ til ethylen. Men under disse forhold, de fleste katalysatorer, og deres støtte, nedbrydes efter mindre end 10 timer.

Holdet overvandt denne udfordring ved at ændre deres eksperimentelle opsætning. I det væsentlige, de afsatte deres katalysator på et porøst støttelag lavet af polytetrafluorethylen (PTFE, bedre kendt som Teflon) og klemte deres katalysator med kulstof på den anden side. Denne nye opsætning beskytter støtten og katalysatoren mod nedbrydning på grund af den grundlæggende løsning, og gør det muligt at holde 15 gange længere end tidligere katalysatorer. Som en ekstra bonus, denne opsætning forbedrede også effektiviteten og selektiviteten yderligere.

"I løbet af de sidste par årtier, vi har vidst, at det ville hjælpe at betjene denne reaktion under basale forhold, men ingen vidste, hvordan man drager fordel af den viden og overfører den til et praktisk system, " siger Dinh. "Vi har vist, hvordan man overvinder den udfordring."

I øjeblikket er deres system i stand til at udføre konverteringen i laboratorieskala, producerer flere gram ethylen ad gangen. Holdets langsigtede mål er at skalere teknologien op til det punkt, hvor de er i stand til at konvertere de mange tons kemikalier, der er nødvendige til kommerciel anvendelse.

"Vi gjorde tre samtidige fremskridt i dette arbejde:selektivitet, energieffektivitet og stabilitet, " siger Sargent. "Som en gruppe, vi er stærkt motiverede til at udvikle teknologier, der hjælper os med at realisere den globale udfordring med en CO2-neutral fremtid."

Den tværfaglige gruppe, som også inkluderer professor i maskinteknik David Sinton, kombinerer styrker inden for materialevidenskab, kemiteknik, kemi og maskinteknik, giver nye perspektiver på området. Flere medlemmer er også involveret i CERT, University of Toronto-holdet, der netop er gået videre til den sidste runde af NRG COSIA Carbon XPRIZE. Carbon XPRIZE-konkurrencen udfordrer grupper fra industrien og den akademiske verden til at opfange kulstofemissioner fra kraftværker og effektivt omdanne dem til værdifulde kemiske produkter.