En katalysator til at omdanne kuldioxid, hovedårsagen til global opvarmning, til ethylen ved hjælp af C-vitamin

Et fælles forskerhold har udviklet en ny elektrokemisk katalysator, der fremmer omdannelsen fra kuldioxid (CO₂ ) til ethylen (C₂ H₄ ).

Gennem fælles indsats ledet af professorerne Dae-hyun Nam og Youn-gu Lee fra Institut for Energividenskab og Teknik ved DGIST og professor Seo-in Back fra Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik ved Sogang Universitet, har forskerholdet udtænkt en teknologi at øge ethylenproduktionen væsentligt ved at inkorporere C-vitamin i en kuldioxidreduktionskatalysator i et heterogent system.

Dette er baseret på den observation, at tilstedeværelsen af ​​kuldioxid i luften påvirker C-vitaminniveauerne i frugter.

Den elektrokemiske reduktion af kuldioxid vinder anerkendelse som en grundlæggende teknologi for "miljøvenlig energi." Denne proces har til formål at mindske koncentrationen af ​​kuldioxid i atmosfæren og samtidig generere renere kilder til fremtidig energi. Imidlertid står eksisterende elektrokemiske katalysatorer over for udfordringer med at opnå ensartet katalytisk ydeevne under forhold med høj strømtæthed.

Denne begrænsning hæmmer dannelsen af ​​det essentielle mellemprodukt, carbonmonoxid, som spiller en afgørende rolle i ethylenomdannelsen. I stedet har disse katalysatorer en tendens til at inducere reaktionen til brintgenerering snarere end kuldioxidreduktionsreaktionen.

For sømløs reduktion af carbondioxid er opnåelse af stabil dannelse af mellemproduktet af carbonmonoxid ved høj strømtæthed gennem en elektrokemisk katalysator og fremme af dimerisering, hvor to carbonmonoxid-mellemprodukter kombineres, væsentligt.

Forskerholdet ledet af professor Nam ved DGIST udtænkte således en metode til at integrere C-vitamins oxidations-reduktionsreaktion i den elektrokemiske reduktion af kuldioxid baseret på det fænomen, hvor C-vitaminindholdet i frugter falder i et miljø med høj koncentration. af kuldioxid.

Forskerholdet syntetiserede C-vitamin med grafen-kvanteprikker og fremstillede en "vitamin C-boosting kobber nanotråd" ved at kombinere det syntetiserede materiale med kobber. Denne tilgang hjalp med at stabilisere C-vitamin gennem nano-indeslutningseffekterne af grafenkvanteprikker og muliggjorde reversibiliteten af ​​oxidationsreduktion.

Derudover tilførte oxidations-reduktionsreaktionen af ​​C-vitamin konsekvent elektroner og protoner til kuldioxid, hvilket fremmede dimeriseringsprocessen og skabte kuliltemellemproduktet. Som følge heraf udviste den nyudviklede katalysator en 2,9-fold forbedring i ethylenproduktion sammenlignet med konventionelle kobber nanotrådskatalysatorer.

Desuden identificerede forskerholdet, at C-vitaminet indespærret i grafen optimerer integrationen af ​​kuliltemellemprodukt og kobberkatalysator gennem Raman-spektroskopisk analyse i realtid og computersimulering. Forskerholdet identificerede også katalysatorens funktionsprincip ved at verificere, at elektroner og protoner kan afgives, hvilket letter reduktionen af ​​kuldioxid baseret på en stærk hydrogenbinding.

Professor Nam ved DGIST udtalte:"Denne forskning skabte en elektrokemisk katalysator, der var i stand til at producere ethylen i stor skala gennem reduktion af kuldioxid og afslørede en ny reaktionsmekanisme. Denne teknologi forventes at spille en nøglerolle i at opnå kulstofneutralitet ved at omdanne kuldioxid —en væsentlig bidragyder til global opvarmning — til en højværdiforbindelse."

Værket er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

Flere oplysninger: Jongyoun Kim et al., Vitamin C-induceret CO₂ capture muliggør højhastighedsproduktion af ethylen i CO₂ elektroreduktion, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44586-0

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology)