Forøgelse af effektiviteten af ​​kulstoffangst- og konverteringssystemer

Systemer til opsamling og omdannelse af kuldioxid fra kraftværkers emissioner kan være vigtige værktøjer til at bremse klimaændringer, men de fleste er relativt ineffektive og dyre. Nu, forskere ved MIT har udviklet en metode, der markant kan øge ydeevnen af ​​systemer, der bruger katalytiske overflader til at øge hastigheden af ​​kulstofbindende elektrokemiske reaktioner.

Sådanne katalytiske systemer er en attraktiv mulighed for kulstoffangst, fordi de kan producere nyttige, værdifulde produkter, såsom transportbrændstoffer eller kemiske råvarer. Dette output kan bidrage til at subsidiere processen, kompensation for omkostningerne ved at reducere udledningen af ​​drivhusgasser.

I disse systemer, typisk passerer en strøm af gas indeholdende kuldioxid gennem vand for at levere kuldioxid til den elektrokemiske reaktion. Bevægelsen gennem vand er træg, hvilket sænker omdannelseshastigheden af ​​kuldioxiden. Det nye design sikrer, at kuldioxidstrømmen forbliver koncentreret i vandet lige ved siden af ​​katalysatoroverfladen. Denne koncentration, forskerne har vist, kan næsten fordoble systemets ydeevne.

Resultaterne er beskrevet i dag i tidsskriftet Cell Rapporter Fysisk Videnskab i et papir af MIT postdoc Sami Khan Ph.D. '19, som nu er assisterende professor ved Simon Fraser University, sammen med MIT professorer i maskinteknik Kripa Varanasi og Yang Shao-Horn, og nyuddannet Jonathan Hwang Ph.D. '19.

"Kuldioxidbinding er vores tids udfordring, " siger Varanasi. Der er en række tilgange, herunder geologisk sekvestration, hav opbevaring, mineralisering, og kemisk omdannelse. Når det kommer til at gøre brugbart, salgbare produkter ud af denne drivhusgas, elektrokemisk omdannelse er særligt lovende, men det mangler stadig forbedringer for at blive økonomisk levedygtigt. "Målet med vores arbejde var at forstå, hvad der er den store flaskehals i denne proces, og for at forbedre eller afbøde denne flaskehals, " han siger.

Flaskehalsen viste sig at involvere levering af kuldioxid til den katalytiske overflade, der fremmer de ønskede kemiske transformationer, fandt forskerne. I disse elektrokemiske systemer, strømmen af ​​kuldioxidholdige gasser blandes med vand, enten under tryk eller ved at boble det gennem en beholder udstyret med elektroder af et katalysatormateriale såsom kobber. En spænding påføres derefter for at fremme kemiske reaktioner, der producerer kulstofforbindelser, der kan omdannes til brændstoffer eller andre produkter.

Der er to udfordringer i sådanne systemer:Reaktionen kan forløbe så hurtigt, at den opbruger forsyningen af ​​kuldioxid, der når katalysatoren hurtigere, end den kan genopfyldes; og hvis det sker, en konkurrerende reaktion - spaltningen af ​​vand til brint og ilt - kan tage over og opsuge meget af den energi, der bliver lagt i reaktionen.

Tidligere bestræbelser på at optimere disse reaktioner ved at strukturere katalysatoroverfladerne for at øge overfladearealet for reaktioner havde ikke levet op til deres forventninger, fordi kuldioxidtilførslen til overfladen ikke kunne følge med den øgede reaktionshastighed, derved over tid til brintproduktion.

Forskerne adresserede disse problemer ved at bruge en gastiltrækkende overflade placeret i umiddelbar nærhed af katalysatormaterialet. Dette materiale er et specielt tekstureret "gasphilic, " superhydrofobt materiale, der afviser vand, men tillader et glat lag af gas kaldet en plastron at forblive tæt langs overfladen. Det holder den indkommende strøm af kuldioxid lige op mod katalysatoren, så de ønskede kuldioxidomdannelsesreaktioner kan maksimeres. Ved at bruge farvestofbaserede pH-indikatorer, forskerne var i stand til at visualisere kuldioxidkoncentrationsgradienter i testcellen og vise, at den øgede koncentration af kuldioxid udgår fra plastronen.

I en række laboratorieeksperimenter, der bruger denne opsætning, hastigheden af ​​carbonomdannelsesreaktionen næsten fordobledes. Det blev også opretholdt over tid, hvorimod reaktionen i tidligere forsøg hurtigt forsvandt. Systemet producerede høje mængder af ethylen, propanol, og ethanol - et potentielt brændstof til biler. I mellemtiden den konkurrerende brintudvikling blev kraftigt indskrænket. Selvom det nye arbejde gør det muligt at finjustere systemet til at producere den ønskede blanding af produkt, i nogle applikationer, optimering til brintproduktion som brændstof kan være det ønskede resultat, hvilket også kan lade sig gøre.

"Den vigtige metrik er selektivitet, "Khan siger, med henvisning til evnen til at generere værdifulde forbindelser, der vil blive produceret af en given blanding af materialer, teksturer, og spændinger, og for at justere konfigurationen i henhold til det ønskede output.

Ved at koncentrere kuldioxiden ved siden af ​​katalysatoroverfladen, det nye system producerede også to nye potentielt nyttige kulstofforbindelser, acetone, og acetat, som ikke tidligere var blevet detekteret i sådanne elektrokemiske systemer med mærkbar hastighed.

I dette indledende laboratoriearbejde, en enkelt strimmel af det hydrofobe, gastiltrækkende materiale blev placeret ved siden af ​​en enkelt kobberelektrode, men i fremtidigt arbejde kan en praktisk anordning laves ved hjælp af et tæt sæt af sammenflettede par af plader, foreslår Varanasi.

Sammenlignet med tidligere arbejde med elektrokemisk kulstofreduktion med nanostrukturkatalysatorer, Varanasi siger, "vi overgår dem alle markant, fordi selvom det er den samme katalysator, det er, hvordan vi leverer kuldioxiden, der ændrer spillet."