Forskere designer en forbedret vej til kulstofneutral plast

Forskere fra U of T Engineering og Caltech har designet et nyt og forbedret system til effektivt at omdanne CO2, vand, og vedvarende energi til ethylen - forløberen for en bred vifte af plastprodukter, fra medicinsk udstyr til syntetiske stoffer - under neutrale forhold. Enheden har potentialet til at tilbyde en kulstofneutral vej til et almindeligt anvendt kemikalie, samtidig med at det forbedrer opbevaringen af ​​affaldskulstof og overskydende vedvarende energi.

"CO2 har lav økonomisk værdi, hvilket reducerer incitamentet til at fange det, før det kommer ind i atmosfæren, " siger professor Ted Sargent, U of T Engineering leder på projektet. "Omdanne det til ethylen, en af ​​de mest udbredte industrielle kemikalier i verden, ændrer økonomien. Vedvarende ethylen giver en vej til at fortrænge de fossile brændstoffer, der i øjeblikket er det primære råmateriale til dette kemikalie."

Sidste år, Sargent og hans team udgav et papir i Science, der beskrev, hvordan de brugte en elektrolysator - en enhed, der bruger elektricitet til at drive en kemisk reaktion - til at omdanne CO2 til ethylen med rekordeffektivitet. I dette system, de tre reaktanter, CO2 gas, vand og el, alle kommer sammen på overfladen af ​​en kobberbaseret katalysator.

Selvom enheden var et gennembrud for holdet, der var stadig plads til forbedringer. Den seneste version, beskrevet i et papir, der blev offentliggjort i dag i Natur , modificerer yderligere katalysatoren for at forbedre systemets ydeevne og sænke dets driftsomkostninger.

"En af udfordringerne ved denne reaktion er, at mens noget af CO2 omdannes til ethylen, det meste bliver til sideprodukter, især carbonat, som opløses på væskesiden af ​​elektrolysatoren, "siger postdoktor Fengwang Li, hovedforfatter af det nye papir. "Dette uønskede tab øger omkostningerne ved at følge produktadskillelse og oprensning."

I det seneste arbejde, Sargents team samarbejdede med Caltech kemiprofessorer Jonas C. Peters og Theodor Agapie. Deres offentliggjorte forskning om en klasse af molekyler kendt som arylpyridiniums antydede, at tilsætning af dem til katalysatoren kunne favorisere produktionen af ​​ethylen frem for andre biprodukter.

Ved hjælp af teoretiske beregninger og eksperimenter, de to hold sigtede gennem mere end et dusin forskellige slags arylpyridinium, inden de valgte en. Helt sikkert, tilsætning af et tyndt lag af dette molekyle til kobberkatalysatoroverfladen øgede markant reaktionens selektivitet for ethylen. Det førte også til en anden fordel:at sænke arbejdsreaktionens pH fra basisk til neutral.

"Det tidligere system krævede, at vandsiden af ​​reaktionen havde høj pH, meget basale forhold, " siger Li. "Men reaktionen af ​​CO2 med kaustisk soda i vandet sænker pH, så vi ville have været nødt til løbende at tilføje kemikalier for at holde pH oppe. Det nye system fungerer lige så godt under neutrale forhold, så vi kan fjerne den ekstra omkostning, samt tab af CO2 i form af karbonat."

Den forbedrede katalysator holdt også længere end den tidligere version, forbliver stabil i næsten 200 timers drift. En anden forbedring - at øge arealet af katalysatoroverfladen med en faktor på fem - gav holdene en smagsprøve på de udfordringer, der skal overvindes for at skalere produktionen op til industrielt niveau.

Selvom prototypen stadig er langt fra kommercialisering, det overordnede koncept tilbyder en lovende måde at løse flere nøgleudfordringer inden for bæredygtighed på. Det eliminerer behovet for at udvinde mere olie for at fremstille plast og andre forbrugsvarer baseret på ethylen, og det gør affalds-CO2 til et råmateriale, tilføjer et nyt incitament til at investere i kulstoffangst.

Li påpeger også, at et sådant system kunne drives af intermitterende vedvarende kilder, såsom vind- eller solenergi. I øjeblikket, der er ofte et misforhold mellem mængden af ​​elektricitet produceret af disse systemer og forbrugernes efterspørgsel. Ved at lagre overskydende elektricitet i form af ethylen, systemet tilbyder en måde at udjævne disse toppe og dale.

"Det, der er fantastisk ved dette CO2-til-ethylen-konverteringssystem er, at du ikke behøver at vælge mellem at opfange og genbruge CO2-emissioner i stedet for at forsøge at forhindre dem i at opstå i første omgang ved at fortrænge de brugte fossile brændstoffer, " siger Li. "Vi kan gøre begge dele på samme tid."