Kuldioxid-til-methanol-proces forbedret med katalysator

Dramatiske forbedringer er blevet foretaget i processen med at omdanne kuldioxid, en drivhusgas, til methanol, et brændstof og byggesten til en bred vifte af hverdagsmaterialer, ifølge forskere fra Penn State.

Atmosfæriske kuldioxidkoncentrationer er stigende, og klimaændringer er ved at blive en verdensomspændende bekymring, der kræver en global indsats for at reducere kuldioxidemissioner. En tilgang er at bruge kuldioxid som kulstofkilde i reaktioner med brint, hvor brinten produceres af vand ved hjælp af vedvarende energi, og reaktionen syntetiserer methanol. Dette vil hjælpe med at reducere kuldioxidemissioner og mindske afhængigheden af ​​fossile brændstoffer.

Forskere har avanceret processen med at omdanne kuldioxid til methanol, som indeholder fire dele brint, en del ilt og en del kulstof, ved at udvikle en ny katalysator, der bruger en specifik formulering af palladium og kobber. Det teoretiske og eksperimentelle arbejde, for nylig udgivet i ACS katalyse , er resultatet af mange års integreret eksperimentel og beregningsmæssig forskning udført i et partnerskab med Dalian University of Technology i Kina i samarbejde med Penn State-Dalian Joint Center for Energy Research. Penn State-Dalian-samarbejdsforskningen afslørede fordelene ved at kombinere de to metaller som katalysator.

En nøglefaktor i at omdanne kuldioxid til methanol er at finde en god katalysator, så methanol kan fremstilles i høj selektivitet med en effektiv hastighed. I atomforholdet palladium-til-kobber på 0,3 til 0,4, kombination af palladium og kobber gav den mest effektive omdannelse af methanol fra kuldioxid ved hjælp af nanopartikler af katalysatoren fordelt på et porøst bæremateriale, der øgede katalysatorens overfladeareal. Med en katalysator på størrelse med en valnød, det indre overfladeareal af katalysatoren ville dække omkring arealet af en fodboldbane.

Forskere fandt ud af, at de nye formuleringer, ved at bruge det præcise atomforhold mellem de to metaller, øgede hastigheden af ​​methanoldannelse med tre gange i forhold til palladium alene og fire gange i forhold til kobber alene, repræsenterer en væsentlig forbedring i forhold til tidligere metoder.

Chunshan Song, fremtrædende professor i brændstofvidenskab, professor i kemiteknik og direktør for Jord- og Mineralvidenskabernes (EMS) Energi

Institut, sammenlignede processen med en kat, der fanger en mus på overfladen af ​​en katalysator. For at konverteringen kan finde sted, du har brug for både kuldioxid – katten – og brint – musen. Men du skal skabe de ideelle betingelser for, at katten med succes kan fange musen. Hvis katten ikke kan nå musen, eller forhold bremser det, katten har mindre succes.

Dette virker, fordi katalysatoren, der kombinerer to metaller, ikke kun kan sænke de energimæssige krav til at fremskynde reaktionen af ​​kuldioxid og brint, men ændrer også reaktionsvejene for at producere mere ønsket produkt med højere energieffektivitet.

"Konventionelle undersøgelser fokuserede på kobber, men det giver ikke effektive resultater, " sagde Song. "Det er det samme for palladium. Men at sætte palladium og kobber sammen skaber en unik overfladestruktur, der viser en særlig selektivitet til at skabe methanol ud fra kuldioxid. Denne undersøgelse giver den grundlæggende indsigt i de meget synergetiske virkninger af at bruge disse to metaller sammen."

For at skabe methanol, forskere pumpede brint og kuldioxid ind i et forseglet kammer i en reaktorbeholder pakket med katalysatoren og opvarmede indholdet til mellem 356 og 482 grader Fahrenheit. Den maksimale kuldioxid-til-methanol-omdannelse er omkring 24 procent, men den uomsatte kuldioxid og brint vil blive genbrugt og returneret til fartøjet i industrielle omgivelser, meget som det, der gøres i konventionel methanolsyntese ved hjælp af kulilte og brint.

Kuldioxidhydrogeneringsprocessen fungerer ved at nedbryde vand for at skabe en brintgas ved hjælp af vedvarende energi, som derefter binder med kuldioxiden på overfladen af ​​katalysatoren for at danne methanol. Song sagde, at fordi deres katalysator fremmer høj selektivitet, går en større procentdel af produkterne til at skabe methanol.

Methanol bruges til at skabe mange materialer og brændstoffer, fra klæbemidler og krydsfinerundergulve til vandflasker, rynkebestandige skjorter og dieselbrændstoffer. Det er også et kemikalie, der bruges til fremstilling af frostvæske, sprinklervæske, opløsningsmidler og andre produkter. Nye katalysatorer til omdannelse af kuldioxid til en række industrielt anvendelige kemikalier, brændstoffer, og materialer som plast udvikles aktivt af Song gennem Penn State-Dalian Joint Center for Energy Research.

Song sagde, at effektiv skabelse af brændstoffer og industrielle kemikalier fra kuldioxid ved hjælp af vedvarende energi betragtes som den hellige gral til at bekæmpe klimaændringer, fordi brændstofferne er endnu bedre end kulstofneutrale eller vedvarende brændstoffer. Processen omdanner i det væsentlige drivhusgasser til brændstoffer, der udsender kuldioxid, når de forbrændes. denne proces, når det kombineres med opsamling af kuldioxid fra miljøet, svarer til at genbruge kuldioxid i stedet for at skabe eller undgå det.

"Vores nuværende energisystem er i høj grad afhængig af kulstofbaserede fossile energier, " sagde Song. "Selv vedvarende brændstoffer såsom biomasse, biogas og organisk affald, de er alle kulstofbaserede. Men i fremtiden, hvor kommer kulstof fra? Hvis vi begynder at bruge kulstof fra kuldioxid, vi kan genbruge det, skabe et bæredygtigt kulstofbaseret energikredsløb, og så stabiliserer vi kuldioxidkoncentrationen i atmosfæren. Det er derfor, jeg brænder for det her«.