Ny katalysator hjælper med at omdanne kuldioxid til brændstof

Forestil dig at få fat i kuldioxid fra bilers udstødningsrør og andre kilder og omdanne denne vigtigste drivhusgas til brændstoffer som naturgas eller propan:en bæredygtighedsdrøm, der går i opfyldelse.

Adskillige nyere undersøgelser har vist en vis succes med denne konvertering, men en ny tilgang fra Stanford Universitys ingeniører giver fire gange mere ethan, propan og butan end eksisterende metoder, der bruger lignende processer. Selvom det ikke er en klimakur, fremskridtet kan reducere den kortsigtede indvirkning på den globale opvarmning markant.

"Man kan forestille sig et kulstofneutralt kredsløb, der producerer brændstof fra kuldioxid og derefter forbrænder det, skabe ny kuldioxid, der derefter bliver omdannet til brændstof, " sagde Matteo Cargnello, en assisterende professor i kemiteknik ved Stanford, der ledede forskningen, udgivet i Angewandte Chemie .

Selvom processen stadig kun er en laboratoriebaseret prototype, forskerne forventer, at den kan udvides nok til at producere brugbare mængder brændstof. Der er meget arbejde tilbage, imidlertid, før gennemsnitsforbrugeren vil være i stand til at købe produkter baseret på sådanne teknologier. Næste trin omfatter forsøg på at reducere skadelige biprodukter fra disse reaktioner, såsom det giftige forurenende stof kulilte. Gruppen udvikler også måder at fremstille andre gavnlige produkter på, ikke kun brændstoffer. Et sådant produkt er olefiner, som kan bruges i en række industrielle applikationer og er hovedingredienserne til plast.

To trin i ét

Tidligere bestræbelser på at omdanne CO ₂ at brænde involverede en to-trins proces. Det første skridt reducerer CO ₂ til kulilte, derefter kombinerer den anden CO med brint for at lave kulbrintebrændstoffer. Den enkleste af disse brændstoffer er metan, men andre brændstoffer, der kan produceres, omfatter ethan, propan og butan. Ethan er en nær slægtning til naturgas og kan bruges industrielt til fremstilling af ethylen, en forløber for plastik. Propan bruges almindeligvis til at opvarme boliger og drive gasgrill. Butan er et almindeligt brændstof i lightere og lejrovne.

Cargnello mente, at det ville være meget mere effektivt at gennemføre begge trin i en enkelt reaktion. og gik i gang med at skabe en ny katalysator, der samtidig kunne fjerne et iltmolekyle fra CO ₂ og kombiner det med brint. (Katalysatorer inducerer kemiske reaktioner uden at blive brugt op i selve reaktionen.) Det lykkedes for teamet at kombinere ruthenium- og jernoxidnanopartikler til en katalysator.

"Denne rutheniumklump sidder i kernen og er indkapslet i en ydre kappe af jern, " sagde Aisulu Aitbekova, en doktorgradskandidat i Cargnellos laboratorium og hovedforfatter af papiret. "Denne struktur aktiverer kulbrintedannelse fra CO ₂ . Det forbedrer processen fra start til slut."

Holdet satte sig ikke for at skabe denne kerne-skal struktur, men opdagede den gennem samarbejde med Simon Bare, fremtrædende stabsforsker, og andre på SLAC National Accelerator Laboratory. SLACs sofistikerede røntgenkarakteriseringsteknologier hjalp forskerne med at visualisere og undersøge strukturen af ​​deres nye katalysator. Uden dette samarbejde, Cargnello sagde, at de ikke ville have opdaget den optimale struktur.

"Det var da, vi begyndte at konstruere dette materiale direkte i en kerne-skal-konfiguration. Så viste vi, at når vi gjorde det, kulbrinteudbyttet forbedres enormt, " sagde Cargnello. "Det er specifikt noget ved strukturen, der hjælper reaktionerne på vej."

Cargnello mener, at de to katalysatorer fungerer på tag-team måde for at forbedre syntesen. Han formoder, at ruthenium gør brint kemisk klar til at binde med kulstoffet fra CO ₂ . Brinten spildes derefter på jernskallen, hvilket gør kuldioxiden mere reaktiv.

Da gruppen testede deres katalysator i laboratoriet, de fandt ud af, at udbyttet for brændstoffer som ethan, propan og butan var meget højere end deres tidligere katalysator. Imidlertid, gruppen står stadig over for nogle få udfordringer. De vil gerne reducere brugen af ​​ædelmetaller såsom ruthenium, og optimere katalysatoren, så den selektivt kun kan fremstille specifikke brændstoffer.