Nyt system åbner døren til at omdanne CO2 til industrielle brændstoffer

Forestil dig en dag, hvor gasserne, der kommer fra kraftværker og tung industri, i stedet for at blive udslynget i atmosfæren, opfanges og tilføres katalytiske reaktorer, der kemisk omdanner drivhusgasser som kuldioxid til industrielle brændstoffer eller kemikalier, og som kun udsender ilt.

Det er en fremtid, som Haotian Wang siger, kan være tættere på, end mange er klar over.

En stipendiat ved Rowland Institute ved Harvard, Wang og kolleger har udviklet et forbedret system til at bruge vedvarende elektricitet til at reducere kuldioxid til kulilte - en nøglevare, der bruges i en række industrielle processer. Systemet er beskrevet i et papir fra 8. november offentliggjort i Joule , et nyligt lanceret søsterblad til Cell press.

"Den mest lovende idé kan være at forbinde disse enheder med kulfyrede kraftværker eller anden industri, der producerer en masse CO2 ₂ , " sagde Wang. "Omkring 20 procent af disse gasser er CO ₂ , så hvis du kan pumpe dem ind i denne celle...og kombinere det med ren elektricitet, så kan vi potentielt producere nyttige kemikalier ud af dette affald på en bæredygtig måde, og endda lukke en del af denne CO ₂ cyklus."

Det nye system, Wang sagde, repræsenterer et dramatisk skridt fremad i forhold til det, han og hans kolleger først beskrev i et 2017-blad i Chem.

Hvor det gamle system knap var på størrelse med en mobiltelefon og var afhængig af to elektrolytfyldte kamre, som hver holdt en elektrode, det nye system er billigere og er afhængig af høje koncentrationer af CO ₂ gas og vanddamp for at fungere mere effektivt - kun én 10 x 10 centimeter celle, Wang sagde, kan producere helt op til fire liter CO i timen.

Det nye system, Wang sagde, adresserer de to hovedudfordringer - omkostninger og skalerbarhed - der blev set som begrænsende for den indledende tilgang.

"I det tidligere arbejde, vi havde opdaget de enkelte nikkel-atom katalysatorer, som er meget selektive til at reducere CO ₂ til CO...men en af ​​udfordringerne vi stod over for var, at materialerne var dyre at syntetisere, " sagde Wang. "Den støtte, vi brugte til at forankre enkelte nikkelatomer, var baseret på grafen, hvilket gjorde det meget vanskeligt at skalere op, hvis man ville producere det i gram eller endda kilogram skala til praktisk brug i fremtiden."

For at løse det problem, han sagde, hans team vendte sig til et kommercielt produkt, der er tusindvis af gange billigere end grafen som en alternativ støtte - kønrøg.

Ved at bruge en proces, der ligner elektrostatisk tiltrækning, Wang og kolleger er i stand til at absorbere enkelte nikkelatomer (positivt ladede) til defekter (negativt ladede) i carbon black nanopartikler, hvor det resulterende materiale er både billigt og meget selektivt for CO ₂ reduktion.

"Lige nu, det bedste vi kan producere er gram, men tidligere kunne vi kun producere milligram pr. batch, " sagde Wang. "Men dette er kun begrænset af det synteseudstyr, vi har; hvis du havde en større tank, du kan lave kilogram eller endda tons af denne katalysator."

Den anden udfordring, Wang og kolleger skulle overkomme, var knyttet til, at det originale system kun fungerede i en flydende opløsning.

Det indledende system fungerede ved at bruge en elektrode i et kammer til at opdele vandmolekyler i ilt og protoner. Da ilten boblede væk, protoner ført gennem den flydende opløsning ville bevæge sig ind i det andet kammer, hvor de - ved hjælp af nikkelkatalysatoren - ville binde med CO ₂ og bryde molekylet fra hinanden, efterlader CO og vand. Det vand kunne så føres tilbage til det første kammer, hvor det igen ville blive delt, og processen ville starte igen.

"Problemet var, at CO ₂ vi kan reducere i det system er kun dem opløst i vand; de fleste af molekylerne omkring katalysatoren var vand, " sagde han. "Der var kun en spormængde af CO ₂ , så det var ret ineffektivt."

Selvom det kan være fristende blot at øge spændingen på katalysatoren for at øge reaktionshastigheden, som kan have den utilsigtede konsekvens af spaltning af vand, ikke reducere CO ₂ , sagde Wang.

"Hvis du udtømmer CO ₂ der er tæt på elektroden, andre molekyler skal diffundere til elektroden, og det tager tid, " sagde Wang. "Men hvis du øger spændingen, det er mere sandsynligt, at det omgivende vand vil benytte lejligheden til at reagere og opdeles i brint og ilt."

Løsningen viste sig at være relativt enkel - at undgå at spalte vand, holdet tog katalysatoren ud af opløsning.

"Vi erstattede det flydende vand med vanddamp, og foder i højkoncentreret CO ₂ gas, " sagde han. "Så hvis det gamle system var mere end 99 procent vand og mindre end 1 procent CO ₂ , nu kan vi vende det fuldstændig om, og pumpe 97 procent CO ₂ gas og kun 3 procent vanddamp ind i dette system. Før det flydende vand også fungerer som ionledere i systemet, og nu bruger vi i stedet ionbyttermembraner til at hjælpe ioner med at bevæge sig rundt uden flydende vand.

"Konsekvensen er, at vi kan levere en størrelsesorden højere strømtæthed, " fortsatte han. "Tidligere, vi arbejdede med omkring ti milliampere-per-centimeter i kvadrat, men i dag kan vi nemt rampe op til 100 milliampere."

Fremadrettet, Wang sagde, systemet har stadig udfordringer at overvinde – især relateret til stabilitet.

"Hvis du vil bruge dette til at have en økonomisk eller miljømæssig påvirkning, det skal have en kontinuerlig drift på tusindvis af timer, sagde han. Lige nu, vi kan gøre dette i snesevis af timer, så der er stadig et stort hul, men jeg mener, at disse problemer kan løses med en mere detaljeret analyse af både CO ₂ reduktionskatalysator og vandoxidationskatalysator."

Ultimativt, Wang sagde, dagen kan komme, hvor industrien vil være i stand til at fange CO ₂ der nu frigives til atmosfæren og omdanner det til nyttige produkter.

"Kulmonoxid er ikke et særligt højværdi kemisk produkt, " sagde Wang. "For at udforske flere muligheder, min gruppe har også udviklet flere kobberbaserede katalysatorer, der yderligere kan reducere CO ₂ til produkter, der er meget mere værdifulde."

Wang krediterede den frihed, han nød på Rowland Institute, for at have hjulpet med at føre til gennembrud som det nye system.

"Rowland har givet mig, som forsker i en tidlig karriere, en fantastisk platform for uafhængig forskning, som igangsætter en stor del af de forskningsretninger, som min gruppe vil fortsætte med at skubbe fremad, " sagde Wang, som for nylig accepterede en stilling ved Rice University. "Jeg vil helt sikkert savne mine dage her."