Forskere opdager en effektiv vej til at omdanne kuldioxid til ethylen

Et forskerhold fra Caltech og UCLA Samueli School of Engineering har demonstreret en lovende måde at effektivt omdanne kuldioxid til ethylen - et vigtigt kemikalie, der bruges til at producere plastik, opløsningsmidler, kosmetik og andre vigtige produkter globalt.

Forskerne udviklede kobbertråde i nanoskala med specielt formede overflader for at katalysere en kemisk reaktion, der reducerer drivhusgasemissioner og samtidig generere ethylen - et værdifuldt kemikalie. Beregningsundersøgelser af reaktionen viser, at den formede katalysator favoriserer produktionen af ​​ethylen frem for hydrogen eller metan. En undersøgelse, der beskriver fremskridtet, blev offentliggjort i Naturkatalyse .

"Vi er på randen af ​​udmattelse af fossile brændstoffer, kombineret med globale klimaudfordringer, " sagde Yu Huang, undersøgelsens medkorresponderende forfatter, og professor i materialevidenskab og teknik ved UCLA. "At udvikle materialer, der effektivt kan omdanne drivhusgasser til værditilvækst brændstoffer og kemiske råstoffer er et kritisk skridt til at afbøde den globale opvarmning, samtidig med at man vender sig væk fra at udvinde stadig mere begrænsede fossile brændstoffer. Dette integrerede eksperiment og teoretiske analyse præsenterer en bæredygtig vej mod kuldioxid upcycling og udnyttelse."

I øjeblikket, ethylen har en global årlig produktion på 158 millioner tons. Meget af det bliver til polyethylen, som bruges i plastemballage. Ethylen forarbejdes fra kulbrinter, såsom naturgas.

"Ideen om at bruge kobber til at katalysere denne reaktion har eksisteret i lang tid, men nøglen er at accelerere hastigheden, så den er hurtig nok til industriel produktion, " sagde William A. Goddard III, undersøgelsens medkorresponderende forfatter og Caltechs Charles og Mary Ferkel professor i kemi, Materialevidenskab, og anvendt fysik. "Denne undersøgelse viser en solid vej mod det mærke, med potentiale til at omdanne ethylenproduktion til en grønnere industri ved hjælp af CO ₂ der ellers ville ende i atmosfæren."

Brug af kobber til at sætte gang i kuldioxiden (CO ₂ ) reduktion til ethylenreaktion (C ₂ H ₄ ) har lidt to strejker imod det. Først, den indledende kemiske reaktion producerede også brint og metan - begge uønskede i industriel produktion. Sekund, tidligere forsøg, der resulterede i ethylenproduktion, varede ikke længe, med konverteringseffektiviteten aftagende, efterhånden som systemet fortsatte med at køre.

For at overvinde disse to forhindringer, forskerne fokuserede på designet af kobbernanotrådene med meget aktive "trin" - svarende til et sæt trapper arrangeret i atomær skala. Et spændende fund af denne samarbejdsundersøgelse er, at dette trinmønster på tværs af nanotrådenes overflader forblev stabilt under reaktionsbetingelserne, i modsætning til den almindelige tro på, at disse højenergifunktioner ville udjævne. Dette er nøglen til både systemets holdbarhed og selektivitet til fremstilling af ethylen, i stedet for andre slutprodukter.

Holdet demonstrerede en kuldioxid-til-ethylen-omdannelseshastighed på mere end 70 %, meget mere effektiv end tidligere designs, som gav mindst 10 % mindre under samme forhold. Det nye system kørte i 200 timer, med ringe ændring i konverteringseffektivitet, et stort fremskridt for kobberbaserede katalysatorer. Ud over, den omfattende forståelse af struktur-funktion relationen illustrerede et nyt perspektiv til at designe meget aktiv og holdbar CO ₂ reduktionskatalysator i aktion.

Huang og Goddard har været hyppige samarbejdspartnere i mange år, med Goddards forskergruppe med fokus på de teoretiske årsager, der understøtter kemiske reaktioner, mens Huangs gruppe har skabt nye materialer og udført eksperimenter. Hovedforfatteren på papiret er Chungseok Choi, en kandidatstuderende i materialevidenskab og teknik ved UCLA Samueli og medlem af Huangs laboratorium.