Ny vej til kulstofneutrale brændstoffer fra kuldioxid opdaget

Hvis tanken om at flyve på batteridrevne kommercielle jetfly gør dig nervøs, du kan slappe lidt af. Forskere har opdaget et praktisk udgangspunkt for at omdanne kuldioxid til bæredygtige flydende brændstoffer, herunder brændstoffer til tungere transportformer, der kan vise sig at være meget vanskelige at elektrificere, som flyvemaskiner, skibe og godstog.

Kulstofneutral genbrug af CO ₂ er opstået som et alternativ til at begrave drivhusgassen under jorden. I en ny undersøgelse offentliggjort i dag i Naturenergi , forskere fra Stanford University og Danmarks Tekniske Universitet (DTU) viser, hvordan elektricitet og en jordrig katalysator kan omdanne CO ₂ til energirig kulilte (CO) bedre end konventionelle metoder. Katalysatoren - ceriumoxid - er meget mere modstandsdygtig over for nedbrydning. Fjernelse af ilt fra CO ₂ at lave CO-gas er det første skridt i at omdanne CO ₂ i næsten ethvert flydende brændstof og andre produkter, som syntetisk gas og plastik. Tilsætning af brint til CO kan producere brændstoffer som syntetisk diesel og tilsvarende flybrændstof. Teamet forestiller sig at bruge vedvarende energi til at lave CO og til efterfølgende konverteringer, hvilket ville resultere i CO2-neutrale produkter.

"Vi viste, at vi kan bruge elektricitet til at reducere CO ₂ til CO med 100 procent selektivitet og uden at producere det uønskede biprodukt af fast kulstof, " sagde William Chueh, en lektor i materialevidenskab og teknik ved Stanford, en af ​​tre ledende forfattere af papiret.

Chueh, kendskab til DTU's forskning på området, inviterede Christopher Graves, lektor i DTU's Energikonverterings- &Lagerafdeling, og Theis Skafte, en daværende DTU ph.d.-kandidat, at komme til Stanford og arbejde på teknologien sammen.

"Vi havde arbejdet på højtemperatur CO ₂ elektrolyse i årevis, men samarbejdet med Stanford var nøglen til dette gennembrud, sagde Skafte, hovedforfatter af undersøgelsen, som nu er postdoc ved DTU. "Vi opnåede noget, vi ikke kunne have hver for sig - både grundlæggende forståelse og praktisk demonstration af et mere robust materiale."

Barrierer for konvertering

En fordel, som bæredygtige flydende brændstoffer kan have i forhold til elektrificeringen af ​​transport, er, at de kan bruge den eksisterende benzin- og dieselinfrastruktur, som motorer, rørledninger og tankstationer. Derudover barriererne for elektrificerende fly og skibe - langdistancerejser og den høje vægt af batterier - ville ikke være problemer for energitætte, kulstofneutrale brændstoffer.

Selvom planter reducerer CO ₂ til kulstofrige sukkerarter naturligt, en kunstig elektrokemisk vej til CO er endnu ikke blevet kommercialiseret bredt. Blandt problemerne:Enheder bruger for meget elektricitet, konvertere en lav procentdel af CO ₂ molekyler, eller producere rent kulstof, der ødelægger enheden. Forskere i den nye undersøgelse undersøgte først, hvordan forskellige enheder lykkedes og fejlede i CO ₂ elektrolyse.

Med opnået indsigt, forskerne byggede to celler til CO ₂ omdannelsestest:en med ceriumoxid og den anden med konventionelle nikkelbaserede katalysatorer. Ceria-elektroden forblev stabil, mens kulstofaflejringer beskadigede nikkelelektroden, forkorter katalysatorens levetid betydeligt.

"Denne bemærkelsesværdige egenskab af ceria har store konsekvenser for den praktiske levetid for CO ₂ elektrolyseapparater, sagde DTU's Graves, en senior forfatter af undersøgelsen og gæsteforsker ved Stanford på det tidspunkt. "At udskifte den nuværende nikkelelektrode med vores nye ceriumoxidelektrode i næste generations elektrolysator ville forbedre enhedens levetid."

Vejen til kommercialisering

Eliminering af tidlig celledød kan sænke omkostningerne ved kommerciel CO-produktion betydeligt. Undertrykkelsen af ​​kulstofopbygning gør det også muligt for den nye type enhed at omdanne mere af CO ₂ at samarbejde, som er begrænset til et godt stykke under 50 procent CO-produktkoncentration i nutidens celler. Dette kan også reducere produktionsomkostningerne.

"Kolstofundertrykkelsesmekanismen på ceriumoxid er baseret på at fange kulstoffet i stabil oxideret form. Vi var i stand til at forklare denne adfærd med beregningsmodeller af CO ₂ reduktion ved forhøjet temperatur, hvilket derefter blev bekræftet med røntgenfotoelektronspektroskopi af cellen i drift, " sagde Michal Bajdich, en seniorforfatter af papiret og en associeret stabsforsker ved SUNCAT Center for Interface Science &Catalysis, et partnerskab mellem SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford's School of Engineering.

De høje omkostninger ved at fange CO ₂ har været en barriere for at holde det under jorden i stor skala, og at høje omkostninger kan være en barriere for at bruge CO ₂ at lave mere bæredygtige brændstoffer og kemikalier. Imidlertid, markedsværdien af ​​disse produkter kombineret med betalinger for at undgå kulstofemissioner kan hjælpe teknologier, der bruger CO ₂ overvinde omkostningshindringen hurtigere.

Forskerne håber, at deres indledende arbejde med at afsløre mekanismerne i CO ₂ elektrolyseanordninger ved spektroskopi og modellering vil hjælpe andre med at justere overfladeegenskaberne af ceriumoxid og andre oxider for yderligere at forbedre CO ₂ elektrolyse.