Ny katalysator omdanner effektivt kuldioxid til nyttige brændstoffer og kemikalier

Efterhånden som niveauet af atmosfærisk kuldioxid fortsætter med at stige, forskere leder efter nye måder at nedbryde CO ₂ molekyler til fremstilling af nyttige kulstofbaserede brændstoffer, kemikalier og andre produkter. Nu, et team af forskere fra Brown University har fundet en måde at finjustere en kobberkatalysator til at producere komplekse kulbrinter-kendt som C2-plus-produkter-fra CO ₂ med bemærkelsesværdig effektivitet.

I en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , forskerne rapporterer en katalysator, der kan producere C2-plus-forbindelser med op til 72% faradaisk effektivitet (et mål for, hvor effektivt elektrisk energi bruges til at omdanne kuldioxid til kemiske reaktionsprodukter). Det er langt bedre end den rapporterede effektivitet af andre katalysatorer for C2-plus reaktioner, siger forskerne. Og forberedelsesprocessen kan forholdsvis let skaleres op til et industrielt niveau, hvilket giver den nye katalysator potentiale til brug i storskala CO ₂ genbrugsindsats.

"Der havde været rapporter i litteraturen om alle former for forskellige behandlinger af kobber, der kunne producere disse C2-plus med en række forskellige effektiviteter, sagde Tayhas Palmore, en professor i ingeniørvidenskab ved Brown, der var forfatter af papiret sammen med ph.d. studerende Taehee Kim. "Det, Taehee gjorde, var et sæt eksperimenter for at opklare, hvad hvert af disse behandlingstrin faktisk gjorde ved katalysatoren med hensyn til reaktivitet, som pegede vejen til at optimere en katalysator for disse multi-carbonforbindelser. "

Der har været store fremskridt i de seneste år med at udvikle kobberkatalysatorer, der kunne lave enkelt-kulstofmolekyler, Siger Palmore. For eksempel, Palmore og hendes team hos Brown udviklede for nylig en kobberskumkatalysator, der effektivt kan producere myresyre, et vigtigt råstofkemikalie med enkelt kulstof. Men interessen stiger i reaktioner, der kan producere C2-plus-produkter.

"Ultimativt, alle søger at øge antallet af carbonatomer i produktet til det punkt at producere højere kulstofbrændstoffer og kemikalier, "Sagde Palmore.

Der havde været vidnesbyrd fra tidligere forskning om, at halogenering af kobber - en reaktion, der dækker en kobberoverflade med atomer af klor, brom eller jod i nærvær af et elektrisk potentiale-kan øge katalysatorens selektivitet af C2-plus-produkter. Kim eksperimenterede med en række forskellige halogeneringsmetoder, nulstilling af, hvilke halogenelementer og hvilke elektriske potentialer, der gav katalysatorer med den bedste ydeevne i CO ₂ -til-C2-plus reaktioner. Han fandt ud af, at de optimale præparater kunne give faradaisk effektivitet på mellem 70,7% og 72,6%, langt højere end nogen anden kobberkatalysator.

Forskningen hjælper med at afsløre de egenskaber, der gør en kobberkatalysator god til C2-plus-produkter. Forberedelserne med den højeste effektivitet havde et stort antal overfladedefekter-små revner og sprækker i den halogenerede overflade-der er kritiske for carbon-carbon-koblingsreaktioner. Disse defekte steder ser ud til at være nøglen til katalysatorernes høje selektivitet over for ethylen, et C2-plus-produkt, der kan polymeriseres og bruges til fremstilling af plast.

Ultimativt, en sådan katalysator vil hjælpe med stor genanvendelse af CO ₂ . Ideen er at fange CO ₂ produceret af industrielle faciliteter som kraftværker, cementfremstilling eller direkte fra luft, og omdanne det til andre nyttige kulstofforbindelser. Det kræver en effektiv katalysator, der er let at producere og regenerere, og billig nok til at fungere i industriel skala. Denne nye katalysator er en lovende kandidat, siger forskerne.

"Vi arbejdede med katalysatorer i laboratorieskala til vores eksperimenter, men du kunne producere en katalysator af stort set enhver størrelse ved hjælp af den udviklede metode, "Sagde Palmore.