Forskere opdager ny elektrokatalysator til at omdanne kuldioxid til flydende brændstof

Katalysatorer fremskynder kemiske reaktioner og danner rygraden i mange industrielle processer. For eksempel, de er afgørende for at omdanne svær olie til benzin eller jetbrændstof. I dag, katalysatorer er involveret i over 80 procent af alle fremstillede produkter.

Et forskerhold, ledet af U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory i samarbejde med Northern Illinois University, har opdaget en ny elektrokatalysator, der omdanner kuldioxid (CO ₂ ) og vand til ethanol med meget høj energieffektivitet, høj selektivitet for det ønskede slutprodukt og lave omkostninger. Ethanol er en særlig ønskværdig vare, fordi det er en ingrediens i næsten al amerikansk benzin og er meget udbredt som et mellemprodukt i kemikaliet, medicinal- og kosmetikindustrien.

"Processen fra vores katalysator ville bidrage til den cirkulære kulstoføkonomi, som indebærer genbrug af kuldioxid, " sagde Di-Jia Liu, senior kemiker i Argonnes Chemical Sciences and Engineering division og en UChicago CASE videnskabsmand ved Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago. Denne proces ville gøre det ved elektrokemisk at omdanne CO ₂ udsendes fra industrielle processer, såsom kraftværker til fossilt brændstof eller alkoholgæringsanlæg, til værdifulde varer til en rimelig pris.

Holdets katalysator består af atomisk dispergeret kobber på en kulstof-pulver støtte. Ved en elektrokemisk reaktion, denne katalysator nedbryder CO ₂ og vandmolekyler og samler selektivt de ødelagte molekyler til ethanol under et eksternt elektrisk felt. Den elektrokatalytiske selektivitet, eller "faradaisk effektivitet, "af processen er over 90 procent, meget højere end nogen anden rapporteret proces. Hvad er mere, katalysatoren fungerer stabilt over længerevarende drift ved lav spænding.

"Med denne forskning, vi har opdaget en ny katalytisk mekanisme til at omdanne kuldioxid og vand til ethanol, " sagde Tao Xu, en professor i fysisk kemi og nanoteknologi fra Northern Illinois University. "Mekanismen bør også danne grundlag for udvikling af højeffektive elektrokatalysatorer til kuldioxidomdannelse til en bred vifte af værdiskabende kemikalier."

Fordi CO ₂ er et stabilt molekyle, at omdanne det til et andet molekyle er normalt energikrævende og dyrt. Imidlertid, ifølge Liu, "Vi kunne koble den elektrokemiske proces af CO ₂ -omdannelse til ethanol ved hjælp af vores katalysator til elnettet og drage fordel af den billige elektricitet, der er tilgængelig fra vedvarende kilder som sol og vind i lavt spidsbelastningstider." Fordi processen kører ved lav temperatur og lavt tryk, den kan starte og stoppe hurtigt som reaktion på den periodiske forsyning af vedvarende elektricitet.

Holdets forskning nød godt af to DOE Office of Science-brugerfaciliteter i Argonne - Advanced Photon Source (APS) og Center for Nanoscale Materials (CNM) - samt Argonnes Laboratory Computing Resource Center (LCRC). "Takket være den høje fotonflux af røntgenstrålerne ved APS, vi har fanget de strukturelle ændringer af katalysatoren under den elektrokemiske reaktion, '' sagde Tao Li, en assisterende professor i afdelingen for kemi og biokemi ved Northern Illinois University og en assisterende videnskabsmand i Argonnes røntgenvidenskabsafdeling. Disse data sammen med højopløsningselektronmikroskopi ved CNM og beregningsmodellering ved hjælp af LCRC afslørede en reversibel transformation fra atomisk spredt kobber til klynger af tre kobberatomer hver ved påføring af en lav spænding. CO ₂ -til-ethanol-katalyse forekommer på disse små kobberklynger. Denne opdagelse kaster lys over måder, hvorpå katalysatoren kan forbedres yderligere gennem rationelt design.

"Vi har forberedt flere nye katalysatorer ved hjælp af denne tilgang og fundet ud af, at de alle er yderst effektive til at omdanne CO ₂ til andre kulbrinter, " sagde Liu. "Vi planlægger at fortsætte denne forskning i samarbejde med industrien for at fremme denne lovende teknologi."