Kulbrændstoffer bliver grønne for vedvarende energi

I årtier, forskere har søgt efter effektive måder at fjerne overskydende kuldioxidemissioner fra luften, og genbruge dem til produkter som f.eks. vedvarende brændstoffer. Men processen med at omdanne kuldioxid til nyttige kemikalier er kedelig, dyrt, og spild og dermed ikke økonomisk eller miljømæssigt levedygtig.

Nu viser en opdagelse fra forskere ved det amerikanske energiministerium Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), at genanvendelse af kuldioxid til værdifulde kemikalier og brændstoffer kan være økonomisk og effektivt - alt sammen gennem en enkelt kobberkatalysator .

Værket vises i udgaven af ​​tidsskriftet 17. december Naturkatalyse .

Går der, hvor handlingen er:produktspecifikke aktive websteder

Når du tager et stykke kobbermetal, det kan føles glat at røre ved, men på det mikroskopiske niveau, overfladen er faktisk ujævn - og disse bump er, hvad forskere kalder "aktive steder, "sagde Joel Ager, en forsker ved JCAP, der ledede undersøgelsen. Ager er personaleforsker i Berkeley Labs afdeling for materialevidenskab og adjungeret professor i Institut for Materialevidenskab og teknik ved UC Berkeley.

Disse aktive steder er, hvor magien ved elektrokatalyse finder sted:Elektroner fra kobberoverfladen interagerer med kuldioxid og vand i en række trin, der omdanner dem til produkter som ethanolbrændstof; ethylen, forstadiet til plastposer; og propanol, en alkohol, der almindeligvis bruges i medicinalindustrien.

Lige siden 1980'erne, da kobbers talent for at omdanne kulstof til forskellige nyttige produkter blev opdaget, det blev altid antaget, at dets aktive websteder ikke var produktspecifikke-med andre ord, du kan bruge kobber som katalysator til fremstilling af ethanol, ethylen, propanol, eller et andet kulstofbaseret kemikalie, men du skulle gå igennem mange trin for at adskille uønskede, restkemikalier dannet i de mellemliggende faser af en kemisk reaktion, før de ankommer til din endelige destination-det kemiske slutprodukt.

"Målet med 'grøn' eller bæredygtig kemi er at få det produkt, du ønsker under kemisk syntese, "sagde Ager." Du vil ikke adskille ting, du ikke vil have, fra de ønskelige produkter, fordi det er dyrt og miljømæssigt uønsket. Og den udgift og affald reducerer den økonomiske levedygtighed af kulstofbaserede solbrændstoffer. "

Så da Ager og medforfatter Yanwei Lum, der var en UC Berkeley Ph.D. studerende i Ager's laboratorium på tidspunktet for undersøgelsen, undersøgte kobbers katalytiske egenskaber til et solbrændstofprojekt, de undrede sig, "Hvad hvis, som fotosyntese i naturen, vi kunne bruge elektroner fra solceller til at drive bestemte aktive steder i en kobberkatalysator til at lave en ren produktstrøm af et kulstofbaseret brændstof eller kemikalie? "sagde Ager.

Sporing af et kemikalies oprindelse gennem dets 'pas'

Tidligere undersøgelser havde vist, at "oxideret" eller rustet kobber er en glimrende katalysator til fremstilling af ethanol, ethylen, og propanol. Forskerne teoretiserede, at hvis aktive steder i kobber faktisk var produktspecifikke, de kunne spore kemikaliernes oprindelse gennem kulstofisotoper, "omtrent som et pas med frimærker, der fortæller os, hvilke lande de besøgte, "Sagde Ager.

"Da vi tænkte på forsøget, vi troede, at dette er en så uoplagt idé, at det ville være vanvittigt at prøve det, "Sagde Ager." Men vi kunne ikke lade det være, fordi vi også troede, at det ville fungere, som vores tidligere forskning med isotoper havde gjort os i stand til at opdage nye reaktionsveje. "

Så de næste par måneder, Lum og Ager kørte en række forsøg med to isotoper af kulstof-kulstof-12 og kulstof-13-som "passtempler". Kuldioxid blev mærket med kulstof-12, og kulilte-et vigtigt mellemprodukt i dannelsen af ​​carbon-carbonbindinger-blev mærket med carbon-13. Ifølge deres metode, forskerne begrundede, at forholdet mellem kulstof-13 og kulstof-12-den "isotopiske signatur"-der findes i et produkt, ville bestemme, fra hvilke aktive steder det kemiske produkt stammer.

Efter at Lum havde kørt snesevis af eksperimenter og brugt state-of-the-art massespektrometri og NMR (nuklear magnetisk resonans) spektroskopi ved JCAP til at analysere resultaterne, de fandt ud af, at tre af produkterne - ethylen, ethanol, og propanol - havde forskellige isotopiske signaturer, der viste, at de kom fra forskellige steder på katalysatoren. "Denne opdagelse motiverer fremtidigt arbejde med at isolere og identificere disse forskellige steder, "Lum sagde." At sætte disse produktspecifikke steder i en enkelt katalysator kan en dag resultere i en meget effektiv og selektiv generation af kemiske produkter, "Sagde Lum.

Grønne dage for kemisk fremstilling

Forskernes nye metode - hvad Ager beskriver som "ligetil kemi med et miljømæssigt og økonomisk twist" - er, hvad de håber kan være en ny begyndelse for grøn kemisk fremstilling, hvor en solcelle kunne fodre elektroner til bestemte aktive steder i en kobberkatalysator for at optimere produktionen af ​​ethanolbrændstoffer.

"Måske en dag kunne denne teknologi gøre det muligt at have noget som et olieraffinaderi, men drevet af solen, at tage kuldioxid ud af atmosfæren og skabe en strøm af nyttige produkter, " han sagde.