Ny katalysator forvandler forurenende stoffer til brændstof

I stedet for at lade kraftværker og industri kaste kuldioxid ud i atmosfæren, kommende Rice University adjunkt Haotian Wang har en plan om at omdanne drivhusgassen til nyttige produkter på en grøn måde.

Wang, som vil slutte sig til Rice som William Marsh Rice Trustee Chair og assisterende professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab i slutningen af ​​dette år, og hans kolleger har lavet små reaktorer, der tillader enkelte nikkelatomer at katalysere industrielle drivhusgasser til kulilte, et industrielt råmateriale.

I øjeblikket stipendiat ved Rowland Institute ved Harvard, Wang og hans team forbedrede deres system til at bruge vedvarende elektricitet til at reducere kuldioxid til kulilte, en nøglereaktant i en række industrielle processer. Systemet er beskrevet i et papir i Joule , en Cell Press-journal.

"Den mest lovende idé kan være at forbinde disse enheder med kulfyrede kraftværker eller anden industri, der producerer en masse kuldioxid, " sagde Wang. "Omkring 20 procent af disse gasser er kuldioxid, 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 den kuldioxid-cyklus."

Det nye system, Wang sagde, repræsenterer et dramatisk skridt fremad i forhold til det, han og hans kolleger første gang beskrev i et papir fra 2017 Chem .

Det system var knap på størrelse med en mobiltelefon og var afhængig af to elektrolytfyldte kamre, som hver holdt en elektrode. Det nye system er billigere og er afhængigt af høje koncentrationer af kuldioxidgas og vanddamp for at fungere mere effektivt - kun en 10 x 10 centimeter celle, Wang sagde, kan producere helt op til fire liter kulilte 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 nikkelatom-katalysatorer, som er meget selektive til at reducere kuldioxid til kulilte … 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 – kulsort.

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 til reduktion af kuldioxid.

"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."

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, den 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 kuldioxidreduktionskatalysatoren og vandoxidationskatalysatoren."

Ultimativt, Wang sagde, dagen kan komme, hvor industrien vil være i stand til at opfange den kuldioxid, der nu frigives til atmosfæren, og omdanne den til nyttige produkter.

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