Hybrid kobber-guld nanopartikler omdanner CO2

Kobber - tingene i øre og tekedler - er også et af de få metaller, der kan omdanne kuldioxid til kulbrintebrændstoffer med relativt lidt energi. Når den er formet til en elektrode og stimuleret med spænding, kobber fungerer som en stærk katalysator, udløse en elektrokemisk reaktion med kuldioxid, der reducerer drivhusgassen til metan eller methanol.

Forskellige forskere rundt om i verden har undersøgt kobbers potentiale som et energieffektivt middel til genbrug af kuldioxidemissioner i kraftværker:I stedet for at blive frigivet til atmosfæren, kuldioxid ville blive cirkuleret gennem en kobberkatalysator og blive til metan - som derefter kunne drive resten af ​​anlægget. Et sådant selvforbedrende system kan reducere drivhusgasemissioner fra kulfyrede og naturgasdrevne anlæg kraftigt.

Men kobber er temperamentsfuldt:let oxideret, som når en gammel krone bliver grøn. Som resultat, metallet er ustabilt, som markant kan bremse reaktionen med kuldioxid og producere uønskede biprodukter såsom kulilte og myresyre.

Nu er forskere på MIT kommet med en løsning, der yderligere kan reducere den energi, der er nødvendig for kobber til at omdanne kuldioxid, samtidig med at metallet bliver meget mere stabilt. Gruppen har konstrueret små nanopartikler af kobber blandet med guld, som er modstandsdygtig over for korrosion og oxidation. Forskerne observerede, at bare et strejf af guld gør kobber meget mere stabilt. I forsøg, de overtrukte elektroder med hybrid -nanopartiklerne og fandt ud af, at der var behov for meget mindre energi for disse konstruerede nanopartikler til at reagere med kuldioxid, sammenlignet med nanopartikler af rent kobber.

Et papir med detaljer om resultaterne vises i journalen Kemisk kommunikation ; forskningen blev finansieret af National Science Foundation. Medforfatter Kimberly Hamad-Schifferli fra MIT siger, at resultaterne peger på et potentielt energieffektivt middel til at reducere kuldioxidemissioner fra kraftværker.

”Du skal normalt bruge meget energi på at omdanne kuldioxid til noget nyttigt, ”Siger Hamad-Schifferli, en lektor i maskinteknik og biologisk teknik. "Vi demonstrerede, at hybrid kobber-guld nanopartikler er meget mere stabile, og har potentiale til at sænke den energi, du har brug for til reaktionen. ”

Går småt

Teamet valgte at konstruere partikler på nanoskalaen for at "få mere for pengene, ”Hamad-Schifferli siger:Jo mindre partikler, jo større overfladeareal er tilgængeligt til interaktion med kuldioxidmolekyler. ”Du kunne have flere steder, hvor CO2’en kan komme og stikke ned og blive forvandlet til noget andet, ”Siger hun.

Hamad-Schifferli arbejdede sammen med Yang Shao-Horn, Gail E. Kendall lektor i maskinteknik ved MIT, postdoc Zichuan Xu og Erica Lai ’14. Holdet besluttede sig for guld som et egnet metal til at kombinere med kobber hovedsageligt på grund af dets kendte egenskaber. (Forskere har tidligere kombineret guld og kobber i meget større skalaer, bemærker, at kombinationen forhindrede kobber i at oxidere.)

For at lave nanopartikler, Hamad-Schifferli og hendes kolleger blandede salte indeholdende guld i en opløsning af kobbersalte. De opvarmede opløsningen, skaber nanopartikler, der smeltede kobber med guld. Xu satte derefter nanopartiklerne igennem en række reaktioner, vende opløsningen til et pulver, der blev brugt til at belægge en lille elektrode.

For at teste nanopartiklernes reaktivitet, Xu anbragte elektroden i et bæger med opløsning og boblede kuldioxid ind i den. Han anbragte en lille spænding på elektroden, og målte den resulterende strøm i opløsningen. Teamet begrundede, at den resulterende strøm ville indikere, hvor effektivt nanopartiklerne reagerede med gassen:Hvis CO2 -molekyler reagerede med steder på elektroden - og derefter frigives for at tillade andre CO2 -molekyler at reagere med de samme steder - ville strømmen fremstå som et vist potentiale blev nået, angiver regelmæssig "omsætning." Hvis molekylerne monopoliserede steder på elektroden, reaktionen ville bremse, forsinker udseendet af strømmen ved samme potentiale.

Holdet fandt i sidste ende, at potentialet, der blev anvendt for at nå en jævn strøm, var meget mindre for hybrid kobber-guld nanopartikler end for rent kobber og guld-en indikation på, at mængden af ​​energi, der kræves for at køre reaktionen, var meget lavere end den, der kræves ved brug af nanopartikler lavet af rent kobber.

Fremadrettet, Hamad-Schifferli siger, at hun håber at se nærmere på strukturen af ​​guld-kobber-nanopartiklerne for at finde en optimal konfiguration til omdannelse af kuldioxid. Indtil nu, holdet har demonstreret effektiviteten af ​​nanopartikler sammensat af en tredjedel guld og to tredjedele kobber, samt to tredjedele guld og en tredjedel kobber.

Hamad-Schifferli erkender, at belægning af elektroder i industriel skala delvist med guld kan blive dyrt. Imidlertid, hun siger, energibesparelserne og potentialet for genbrug af sådanne elektroder kan balancere de oprindelige omkostninger.

"Det er en afvejning, ”Siger Hamad-Schifferli. ”Guld er naturligvis dyrere end kobber. Men hvis det hjælper dig med at få et produkt, der er mere attraktivt som metan i stedet for kuldioxid, og ved et lavere energiforbrug, så kan det være det værd. Hvis du kunne genbruge det igen og igen, og holdbarheden er højere på grund af guldet, det er en check i pluskolonnen. ”

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.