Ny undersøgelse tilbyder en renere vej til at kontrollere vand og omdanne drivhusgasser

Forskere, der ønsker at omdanne kuldioxid til rene brændstoffer og nyttige kemikalier, laver ofte brintgas og karbonater som uønskede biprodukter. Et nyt papir fra UChicago Pritzker School of Molecular Engineering har fundet en renere vej.

Kuldioxid er drivhusgassen, der alene er ansvarlig for 78 % af ændringen i energibalancen i Jordens atmosfære mellem 1990 og 2022.

Et biprodukt af afbrænding af fossile brændstoffer, kuldioxid kommer ind i atmosfæren fra biludstødning og kulfyrede kraftværker. Selv nogle vedvarende energiressourcer producerer en lille mængde kuldioxid, selvom det er en lille brøkdel af den mængde kul og naturgas skaber.

I sin kerne er dette molekyle blot et arrangement af et kulstof- og to oxygenatomer, der kan reorganiseres gennem en proces kaldet elektrokemisk kuldioxidreduktion (CO₂ R) til rene brændstoffer og nyttige kemikalier. Men processen foregår ofte med tab, hvor konkurrerende processer trækker atomerne i uønskede retninger, der skaber uønskede biprodukter.

I et papir offentliggjort i dag i Nature Catalysis , skitserede forskere fra UChicago Pritzker School of Molecular Engineerings Amanchukwu Lab en måde at manipulere vandmolekyler for at lave CO₂ R mere effektiv med det ultimative mål at skabe en ren energisløjfe.

Gennem deres nye metode var holdet i stand til at udføre CO₂ R med næsten 100 % effektivitet under mildt sure forhold, med enten guld eller zink som katalysatorer.

"Forestil dig, at vi kan have grøn elektricitet fra sol og vind, og så bruge denne elektricitet til at omdanne eventuel kuldioxid tilbage til brændstoffer," sagde PME Ph.D. kandidat Reggie Gomes, første forfatter til det nye papir.

Konkurrerer med HER

Elektrokemisk adskillelse af et molekyle er som pauseskuddet i et spil pool. Det tidligere arrangement forsvinder, og boldene spredes ud over bordet og falder til ro i nye kombinationer – ikke altid dem, spilleren havde til hensigt.

På samme måde udfører forskere CO₂ R bruge el og vand til at bryde op og omorganisere den skadelige drivhusgas. Dette sender kulstof- og iltatomer fra kuldioxiden, der karomerer hen over bordet med brintatomer fra vandet.

Hvis det virker efter hensigten, danner atomerne andre, mere ønskværdige molekyler, der kan bruges som brændstoffer eller kemikalier.

Men efterhånden som atomerne spredes, dannes der ofte stabile parringer af to brintatomer, en proces kaldet hydrogenudviklingsreaktionen (HER). Dette gør CO₂ R mindre effektiv, da energi og atomer, der bliver til brintgas, ikke kan være en del af de molekyler, forskerne forsøgte at skabe.

Selv i små mængder vand, CO₂ R konkurrerer altid med HENDE.

Amanchukwu Lab – som er mest bemærkelsesværdigt for sin batteriforskning – anvendte indsigt fra vandige batterier på problemet, idet den antog, at kontrol af vandet med organiske opløsningsmidler kunne give en løsning.

Alt det glimter

Begge CO₂ R og HER er afhængige af vand som protondonor. Ved hjælp af organiske opløsningsmidler og syretilsætningsstoffer var holdet i stand til at justere vandets adfærd og finde det søde sted, hvor det donerede den rigtige mængde protoner til at skabe de tilsigtede molekyler, ikke brintgassen og andre uønskede materialer som karbonater.

"I generel kemi lærer vi, at kuldioxid reagerer med hydroxid og danner carbonat. Det er uønsket, fordi det udtømmer det molekyle, vi ønsker at værdiansætte," sagde Neubauer Family Assistant Professor of Molecular Engineering Chibueze Amanchukwu.

Mange af de mest effektive måder at udføre CO₂ på R stole på ædle metaller.

"Platin, sølv, guld - til forskningsformål er de gode katalysatorer," sagde Gomes. "De er meget stabile materialer. Men når du tænker på industrielle applikationer, bliver de uoverkommelige."

Ved at konstruere elektrolytten kan den nye metode opnå lignende resultater ved at bruge billigere, mere rigelige materialer.

"Lige nu er den bedste måde at gøre dette på elektrokemisk ved stuetemperatur at bruge ædelmetaller. Guld og sølv kan undertrykke hydrogenudviklingsreaktionen en lille smule," sagde Amanchukwu. "På grund af vores opdagelse kan vi nu bruge et jordrigt metal, zink, fordi vi nu har en separat måde at kontrollere vand på."

Flere oplysninger: Reginaldo J. Gomes et al., Modulering af vandhydrogenbinding i et ikke-vandigt miljø styrer dets reaktivitet i elektrokemiske transformationer, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-024-01162-z

Journaloplysninger: Naturkatalyse

Leveret af University of Chicago