Ny sukkerbaseret katalysator kunne tilbyde en potentiel løsning til at bruge opfanget kulstof

En ny katalysator fremstillet af et billigt, rigeligt metal og almindeligt spisesukker har evnen til at ødelægge kuldioxid (CO₂ ) gas.

I en ny Northwestern University-undersøgelse omdannede katalysatoren CO₂ med succes til kulilte (CO), en vigtig byggesten til fremstilling af en række nyttige kemikalier. Når reaktionen sker i nærvær af hydrogen, for eksempel CO₂ og brint omdannes til syntesegas (eller syngas), en meget værdifuld forløber for at producere brændstoffer, der potentielt kan erstatte benzin.

Med de seneste fremskridt inden for kulstoffangstteknologier er kulstofopsamling efter forbrænding ved at blive en plausibel mulighed for at hjælpe med at tackle den globale klimaforandringer. Men hvordan man håndterer det opfangede kulstof er stadig et åbent spørgsmål. Den nye katalysator kan potentielt give én løsning til bortskaffelse af den potente drivhusgas ved at omdanne den til et mere værdifuldt produkt.

Undersøgelsen, med titlen "En aktiv, stabil kubisk molybdæncarbidkatalysator til højtemperaturomvendt vand-gasskiftreaktion," er offentliggjort i tidsskriftet Science .

"Selvom vi holdt op med at udlede CO₂ nu ville vores atmosfære stadig have et overskud af CO₂ som et resultat af industrielle aktiviteter fra de sidste århundreder," sagde Northwesterns Milad Khoshoei, som var med til at lede undersøgelsen.

"Der er ingen enkelt løsning på dette problem. Vi skal reducere CO₂ emissioner og finde nye måder at mindske CO₂ på koncentration, der allerede er i atmosfæren. Vi bør udnytte alle mulige løsninger."

"Vi er ikke den første forskergruppe, der konverterer CO₂ ind i et andet produkt," sagde Northwesterns Omar K. Farha, undersøgelsens seniorforfatter. "Men for at processen skal være virkelig praktisk, kræver den en katalysator, der opfylder flere afgørende kriterier:overkommelig pris, stabilitet, let produktion og skalerbarhed. At balancere disse fire elementer er nøglen. Heldigvis udmærker vores materiale sig ved at opfylde disse krav."

Farha, som er ekspert i kulstoffangstteknologier, er Charles E. og Emma H. ​​Morrison-professor i kemi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. Efter at have startet dette arbejde som ph.d. kandidat ved University of Calgary i Canada, Khoshoei er nu postdoc i Farhas laboratorium.

Løsninger fra spisekammeret

Hemmeligheden bag den nye katalysator er molybdæncarbid, et ekstremt hårdt keramisk materiale. I modsætning til mange andre katalysatorer, der kræver dyre metaller, såsom platin eller palladium, er molybdæn et billigt, ikke-ædelmetal, der er rigeligt af jorden.

For at omdanne molybdæn til molybdæncarbid havde forskerne brug for en kilde til kulstof. De opdagede en billig mulighed et uventet sted:spisekammeret. Overraskende nok tjente sukker - den hvide, granulerede slags, der findes i næsten alle husstande - som en billig, bekvem kilde til kulstofatomer.

"Hver dag, jeg prøvede at syntetisere disse materialer, ville jeg bringe sukker til laboratoriet fra mit hjem," sagde Khoshoei. "Sammenlignet med andre klasser af materialer, der almindeligvis bruges til katalysatorer, er vores utroligt billige."

Vellykket selektiv og stabil

Da de testede katalysatoren, var Farha, Khoshooei og deres samarbejdspartnere imponerede over dens succes. Katalysatoren fungerer ved omgivende tryk og høje temperaturer (300-600 grader Celsius), og omdannede CO₂ til CO med 100 % selektivitet.

Høj selektivitet betyder, at katalysatoren kun virkede på CO₂ uden at forstyrre omkringliggende materialer. Med andre ord kunne industrien anvende katalysatoren på store mængder opfangede gasser og selektivt kun målrette CO₂ . Katalysatoren forblev også stabil over tid, hvilket betyder, at den forblev aktiv og ikke nedbrydes.

"I kemi er det ikke ualmindeligt, at en katalysator mister sin selektivitet efter et par timer," sagde Farha. "Men efter 500 timer under barske forhold ændrede dens selektivitet sig ikke."

Dette er især bemærkelsesværdigt, fordi CO₂ er et stabilt – og stædigt – molekyle.

"Konvertering af CO₂ er ikke let," sagde Khoshoei. "CO₂ er et kemisk stabilt molekyle, og vi var nødt til at overvinde den stabilitet, som kræver meget energi."

Tandem tilgang til kulstofrensning

At udvikle materialer til kulstoffangst er et stort fokus i Farhas laboratorium. Hans gruppe udvikler metal-organiske rammer (MOF'er), en klasse af meget porøse materialer i nanostørrelse, som Farha sammenligner med "sofistikerede og programmerbare badesvampe." Farha udforsker MOF'er til forskellige applikationer, herunder at trække CO₂ direkte fra luften.

Nu siger Farha, at MOF'er og den nye katalysator kunne arbejde sammen for at spille en rolle i kulstoffangst og -binding.

"På et tidspunkt kunne vi bruge en MOF til at fange CO₂ , efterfulgt af en katalysator, der omdanner det til noget mere gavnligt," foreslog Farha. "Et tandemsystem, der bruger to forskellige materialer til to sekventielle trin, kunne være vejen frem."

"Dette kunne hjælpe os med at besvare spørgsmålet:'Hvad gør vi med opfanget CO₂ ?'" tilføjede Khoshoei.

"Lige nu er det planen at opsamle det under jorden. Men underjordiske reservoirer skal opfylde mange krav for sikkert og permanent at opbevare CO₂ . Vi ønskede at designe en mere universel løsning, der kan bruges overalt og samtidig tilføje økonomisk værdi."

Flere oplysninger: Milad Ahmadi Khoshooei et al., En aktiv, stabil kubisk molybdæncarbid-katalysator til højtemperatur-omvendt vand-gas-skiftreaktion, Science (2024). DOI:10.1126/science.adl1260. www.science.org/doi/10.1126/science.adl1260

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Northwestern University