Forskere afslører en uhåndgribelig flaskehals, der holder den globale indsats tilbage for at omdanne kuldioxidaffald til brugbare produkter

Tænk på det som genanvendelse på nanoskala:en fristende elektrokemisk proces, der kan høste kulstof, før det bliver til luftforurening og omstrukturere det til komponenterne i hverdagsprodukter.

Bestræbelserne på at opfange luftbåren kuldioxid fra industriaffald og gøre det til brændstof og plastik tager fart, efter at et team af forskere baseret på McMaster University, i samarbejde med eksperter i beregningskemi på Københavns Tekniske Universitet, har afdækket præcist, hvordan processen fungerer, og hvor det moser.

Deres arbejde er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

Forskerne satte sig for at finde ud af, hvorfor syntetiske materialer, der har vist sig at katalysere og omdanne kuldioxid, nedbrydes for hurtigt til, at processen kan være praktisk på industrielt niveau.

Ved at bruge ekstremt kraftigt forstørrelsesudstyr på det canadiske center for elektronmikroskopi (CCEM), som er baseret på McMasters campus, var forskerne i stand til at fange den kemiske reaktion på nanoskala – milliardtedele af en meter – hvilket gjorde det muligt for dem at studere både konverteringsprocessen og forstå hvordan katalysatoren nedbrydes under driftsforhold.

Hovedforfatter Ahmed Abdellah brugte år på at udvikle de teknikker, der gjorde det muligt at observere processen ved at bruge en elektrokemisk reaktor, der er lille nok til at arbejde under elektronmikroskoperne i centrum.

"Det er spændende for os, at det er første gang nogen har været i stand til at se på både formerne af disse strukturer og deres krystalstrukturer for at se, hvordan de udvikler sig på nanoskalaen," siger Abdellah, en tidligere ph.d. studerende ved Drew Higgins' kemiingeniørlaboratorium og nu postdoc ved CCEM.

Higgins, en tilsvarende forfatter til papiret, håber, at de nye oplysninger vil lette den globale indsats for at reducere kulstofforurening ved at trække kuldioxid væk fra affaldsstrømme og i stedet genbruge det for at skabe nyttige produkter, der ellers ville være fremstillet af fossile brændstoffer.

"Det, vi har fundet, er, at katalysatorer, der kan omdanne kuldioxid til brændstoffer og kemikalier, omstruktureres ret hurtigt under driftsforhold. Deres strukturer ændrer sig, og deres egenskaber ændrer sig lige foran vores øjne," siger Higgins. "Det dikterer, hvor effektive de er til at omdanne kuldioxid, og hvor længe de holder. Katalysatorerne nedbrydes til sidst og holder op med at virke, og vi vil gerne vide, hvorfor de gør det, og hvordan de gør det, så vi kan udvikle strategier til at forbedre deres driftslevetid. "

Abdellah, Higgins og deres kolleger håber, at de og andre forskere rundt om i verden kan bruge forskningsresultaterne beskrevet i det nye papir til at få de reaktive materialer til at holde længere og katalysere processen mere effektivt, så den lab-baserede proces kan skaleres op til kommerciel brug.

Industrier som cementfremstilling, brygning og destillering såvel som kemiske raffinaderier producerer store mængder af let genfindelig kuldioxid, forklarer Higgins, hvilket gør dem til sandsynlige første mål for udrulning af teknologien, når den er forbedret til det punkt, hvor den er kommercielt levedygtig. .

Andre mindre koncentrerede former for CO₂ i industriaffald ville komme næste gang.

Selvom det er et langskud i dag, siger Higgins, at det er muligt, at den samme teknologi kan blive effektiv og stabil nok til at trække kuldioxid fra den omgivende luft som "råvare" til brændstof og nyttige kemikalier.

"Vi er stadig lidt væk, men fremskridtene har været meget hurtige inden for dette område af forskning og udvikling i de sidste fem år eller deromkring," siger Higgins. "For ti år siden tænkte folk ikke på denne form for konvertering, men nu begynder vi at se løfter. Effektivitet og holdbarhed er dog bare ikke høj nok endnu. Når først disse flaskehalse er fjernet, kan denne idé virkelig tage af."

Flere oplysninger: Ahmed M. Abdellah et al., Impact of palladium/palladiumhydride-konvertering på elektrokemisk CO2-reduktion via in-situ transmissionselektronmikroskopi og diffraktion, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45096-3

Leveret af McMaster University