Ny katalysator omdanner kuldioxid fra industrielle emissioner til almindeligt anvendte kemikalier

En billig, tin-baseret katalysator kan selektivt omdanne kuldioxid til tre vidt fremstillede kemikalier - ethanol, eddikesyre og myresyre.

Der lurer i emissionerne fra mange industrielle operationer en uudnyttet ressource - kuldioxid (CO₂ ). En bidragyder til drivhusgasser og global opvarmning, kunne den i stedet opfanges og omdannes til værdiskabende kemikalier.

I et samarbejdsprojekt, der involverer U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, Northern Illinois University og Valparaiso University, rapporterer forskere om en familie af katalysatorer, der effektivt omdanner CO₂ til ethanol, eddikesyre eller myresyre. Disse kemikalier er blandt de mest producerede i USA og findes i mange kommercielle produkter. For eksempel er ethanol en nøgleingrediens i adskillige husholdningsprodukter og et tilsætningsstof til næsten al amerikansk benzin.

Værket er offentliggjort i Journal of the American Chemical Society .

Katalysatorerne er baseret på tinmetal aflejret over en kulstofbærer. "Hvis fuldt udviklet, kan vores katalysatorer omdanne CO₂ produceret ved forskellige industrielle kilder til værdifulde kemikalier," sagde Di-Jia Liu. "Disse kilder omfatter fossile brændstoffer kraftværker og bio-fermentering og affaldsbehandlingsfaciliteter." Liu er en senior kemiker ved Argonne og en senior videnskabsmand i Pritzker School of Molecular Engineering ved University of Chicago.

Metoden, som teamet bruger, kaldes elektrokatalytisk konvertering, hvilket betyder, at CO₂ konvertering over en katalysator drives af elektricitet. Ved at variere størrelsen af ​​tin brugt fra enkelte atomer til ultrasmå klynger og også til større nanokrystallitter, kunne holdet kontrollere CO₂ omdannelse til henholdsvis eddikesyre, ethanol og myresyre. Selektiviteten for hvert af disse kemikalier var 90 % eller højere. "Vores opdagelse af en skiftende reaktionsvej ved katalysatorstørrelsen er uden fortilfælde," sagde Liu.

Beregningsmæssige og eksperimentelle undersøgelser afslørede flere indsigter i reaktionsmekanismerne, der danner de tre kulbrinter. En vigtig indsigt var, at reaktionsvejen ændres fuldstændigt, når det almindelige vand, der bruges i omdannelsen, skiftes til deutereret vand (deuterium er en isotop af brint). Dette fænomen er kendt som den kinetiske isotopeffekt. Det er aldrig tidligere blevet observeret i CO₂ konvertering.

Denne forskning nød godt af to DOE Office of Science-brugerfaciliteter i Argonne - Advanced Photon Source (APS) og Center for Nanoscale Materials (CNM).

"Ved at bruge de hårde røntgenstråler, der er tilgængelige på APS, fangede vi de kemiske og elektroniske strukturer af de tinbaserede katalysatorer med forskellige tinbelastninger," sagde Chengjun Sun, en Argonne-fysiker. Derudover afbildede den høje rumlige opløsning, der var mulig med et transmissionselektronmikroskop ved CNM, direkte arrangementet af tinatomer, fra enkelte atomer til små klynger, med de forskellige katalysatorbelastninger.

Ifølge Liu, "Vores ultimative mål er at bruge lokalt genereret elektricitet fra vind og sol til at producere ønskede kemikalier til lokalt forbrug."

Dette ville kræve at integrere de nyopdagede katalysatorer i en lavtemperaturelektrolysator for at udføre CO₂ konvertering med el leveret af vedvarende energi. Elektrolysatorer med lav temperatur kan fungere ved nær omgivende temperatur og tryk. Dette muliggør hurtig start og stop for at imødekomme den periodiske forsyning af vedvarende energi. Det er en ideel teknologi til at tjene dette formål.

"Hvis vi selektivt kun kan producere de nødvendige kemikalier i nærheden af ​​stedet, kan vi hjælpe med at skære ned på CO₂ transport- og lageromkostninger," bemærkede Liu. "Det ville virkelig være en win-win situation for lokale brugere af vores teknologi."

Rettelsesnote (24/5/2024):Denne artikel omtalte tidligere ethanol, eddikesyre og myresyre som "flydende kulbrinter;" de er dog ikke kulbrinter, da de indeholder oxygenatomer i deres molekyler.

Flere oplysninger: Haiping Xu et al., Modulating CO₂ Elektrokatalytisk konvertering til den organiske vej ved den katalytiske sidedimension, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c12722

Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society

Leveret af Argonne National Laboratory