Består syretesten:Nyt lav-pH-system genbruger mere kulstof til værdifulde produkter

Forskere fra University of Toronto Engineering har udviklet et forbedret elektrokemisk system, der hæver værdien af ​​opfanget CO ₂ ved at konvertere mere af det til værdifulde produkter end nogensinde før.

Det Internationale Energiagentur nævnte for nylig kulstoffangst og -lagring som en af ​​de strategier, der kan hjælpe med at holde de globale emissioner lave nok til at begrænse den globale opvarmning til 1,5 C i 2050. Men opfanget kulstof har i øjeblikket ringe økonomisk værdi, reducere incitamentet for virksomheder til at investere i denne teknologi.

Et ingeniørteam fra University of Toronto ledet af professor Ted Sargent løser denne udfordring ved at designe avancerede elektrolysatorer, der bruger elektricitet til at omdanne opfanget CO ₂ ind i de petrokemiske byggesten af ​​almindelige hverdagsmaterialer, fra plastik til lycra. Dette er med til at skabe et marked for opfanget kulstof, samtidig med at det giver et kulstoffattigt alternativ til de fossile brændselsbaserede fremstillingsprocesser, der er i brug i dag.

I modsætning til tidligere systemer, holdets seneste design kan køres under stærkt sure forhold, hvilket reducerer uønskede bivirkninger og øger den samlede effektivitet.

"I tidligere systemer, du skulle vælge, om du ville fokusere på effektiv brug af elektricitet, eller effektiv brug af kulstof, " siger Sargent, seniorforfatter til et nyt papir offentliggjort i dag i Videnskab . "Vores team brugte et nyt katalysatordesign inde i elektrolysatoren til at forbruge en stor del af det tilførte kulstof, samtidig med, at man bevarer en god produktivitet i forhold til ønskværdige produkter af høj værdi."

I elektrolysatoren, fangede CO ₂ er opløst i en flydende elektrolyt, som flyder over den faste katalysator, hvorigennem elektriciteten tilføres.

"Det, vi ønsker, er det opløste CO ₂ i reaktoren for at absorbere elektroner og blive omdannet til ethylen og andre produkter, " siger ph.d.-kandidat Jianan Erick Huang, en af ​​tre co-lead forfattere på det nye papir sammen med andre ph.d. kandidat Adnan Ozden og postdoc Fengwang Li, som nu fortsætter lignende forskning ved University of Sydney.

"Men, i tidligere rapporter, der opererede ved høj pH - hvilket betyder alkaliske eller neutrale forhold - det meste af CO ₂ er spildt, fordi det i stedet bliver omdannet til karbonat."

Huang siger, at mens karbonatet kan udvindes, omdannet til CO ₂ og ført tilbage i elektrolysatoren, at gøre det er energisk dyrt. Holdets beregninger viser, at mere end halvdelen af ​​den energi, der forbruges af det samlede system, ville blive brugt på at genbruge karbonatet på denne måde.

At køre elektrolysatoren under lav pH, eller sure forhold, forhindrer dannelsen af ​​karbonat, men det introducerer et andet problem:nu er den mere gunstige reaktion brintudvikling. Det betyder, at hydrogenioner (dvs. protoner) i den sure opløsning absorberer elektroner og bliver omdannet til brintgas, efterlader få elektroner tilgængelige til at kombinere med CO ₂ .

Huang og teamet håndterede dette problem ved at bruge to strategier i kombination. Først, under sure forhold, de øgede strømtætheden, oversvømme reaktoren med elektroner. Hydrogenioner strømmede ind for at reagere med dem, men de blev fanget i en molekylær trafikprop – det tekniske udtryk er massetransportbegrænsning.

"Træde i kræft, vi skaber en reaktor, der er sur hele vejen igennem, undtagen et lillebitte lag inden for mindre end 50 mikrometer fra katalysatoroverfladen, " siger Huang. "I den specifikke region, det er ikke surt, faktisk er det lidt basisk. der, CO ₂ kan blive reduceret til ethylen af ​​disse elektroner."

Det næste trin var at tilføje en positivt ladet ion, i dette tilfælde kalium, til reaktionen. Dette skabte et elektrisk felt nær katalysatoren, der gjorde det lettere for CO ₂ at adsorbere til overfladen, giver det forspring i konkurrencen med brinten.

De to ændringer gjorde en stor forskel. Tidligere systemer havde typisk brugt mindre end 15 % af det tilgængelige kulstof, at miste resten til karbonat. Det nye system udnytter omkring 77 % af tilgængeligt kulstof, hvor mere end 50 % omdannes til multi-carbon produkter som ethylen og ethanol. (De øvrige 27 % går til enkeltkulstofprodukter som kulilte og myresyre.)

"Dette gennembrud hjælper med at bane vejen frem til en økonomisk levedygtig fremtid for CO ₂ udnyttelse selv med høj CO ₂ fang omkostninger i dag, " siger Dr. Philip Llewellyn, Carbon Capture and Utilization (CCUS) Manager for TOTAL SE, som ydede økonomisk støtte til forskningen. "Når man yderligere overvejer de forventede stigninger i kulstofafgiften, der er nødvendige for at nå de globale klimamål, dette repræsenterer en betydelig acceleration af CO2-påvirkningens time-to-market og time-to-klimat ₂ elektrolysatorer."

Der er stadig forhindringer, der skal overvindes, før dette system kan skaleres op til et industrielt niveau, herunder stabiliteten af ​​katalysatoren, når dens størrelse øges, og behovet for yderligere energibesparelser. Stadig, Huang er stolt af, hvad holdet har præsteret.

"Ved at skabe en reaktor, der er sur et sted og basisk et andet, vi har sprængt en teoretisk grænse, " siger han. "Vi behøver ikke at vælge mellem kulstofeffektivitet og elektroneffektivitet:vi kan optimere begge for at få det bedste overordnede system. Det bliver udfordrende, men jeg tror nu, det kan lade sig gøre."