Kulstofprikker styrter mod grøn genbrugsrolle

Grafen kvanteprikker kan tilbyde en enkel måde at genbruge affaldskuldioxid til værdifuldt brændstof i stedet for at slippe det ud i atmosfæren eller begrave det under jorden. ifølge Rice University-forskere.

Nitrogen-doterede grafenkvanteprikker (NGQD'er) er en effektiv elektrokatalysator til fremstilling af komplekse kulbrinter ud fra kuldioxid, ifølge forskerholdet ledet af Rice materiale videnskabsmand Pulickel Ajayan. Ved hjælp af elektrokatalyse, hans laboratorium har demonstreret omdannelsen af ​​drivhusgassen til små partier af ethylen og ethanol.

Undersøgelsen er detaljeret i denne uge Naturkommunikation .

Selvom de ikke helt forstår mekanismen, forskerne fandt, at NGQD'er virkede næsten lige så effektivt som kobber, som også bliver testet som en katalysator til at reducere kuldioxid til flydende brændstoffer og kemikalier. Og NGQD'er bevarer deres katalytiske aktivitet i lang tid, rapporterede de.

"Det er overraskende, fordi folk har prøvet alle forskellige slags katalysatorer. Og der er kun få rigtige valg, såsom kobber, " sagde Ajayan. "Jeg tror, ​​at det, vi fandt, er fundamentalt interessant, fordi det giver en effektiv vej til at screene nye typer katalysatorer for at omdanne kuldioxid til produkter af højere værdi."

Disse problemer er næppe en hemmelighed. Atmosfærisk kuldioxid steg til over 400 ppm tidligere i år, det højeste det har været i mindst 800, 000 år, som målt gennem iskerneanalyse.

"Hvis vi kan omdanne en betydelig del af den kuldioxid, der udledes, vi kunne bremse de stigende niveauer af atmosfæriske kuldioxidniveauer, som har været forbundet med klimaændringer, " sagde medforfatter Paul Kenis fra University of Illinois.

I laboratorietests, NGQD'er viste sig i stand til at reducere kuldioxid med op til 90 procent og omdanne 45 procent til enten ethylen eller alkohol, sammenlignelig med kobberelektrokatalysatorer.

Grafen kvanteprikker er atomtykke plader af kulstofatomer, der er blevet opdelt i partikler omkring en nanometer tykke og kun et par nanometer brede. Tilføjelsen af ​​nitrogenatomer til prikkerne muliggør varierende kemiske reaktioner, når en elektrisk strøm påføres, og et råmateriale som kuldioxid indføres.

"Carbon er typisk ikke en katalysator, "Ajayan sagde. "Et af vores spørgsmål er, hvorfor denne doping er så effektiv. Når nitrogen indsættes i det sekskantede grafitgitter, der er flere positioner, den kan tage. Hver af disse stillinger, afhængigt af hvor nitrogen sidder, bør have forskellig katalytisk aktivitet. Så det har været et puslespil, og selvom folk har skrevet en masse artikler i de sidste fem til 10 år om, at dopet og defekt kulstof er katalytisk, gåden er ikke rigtig løst."

"Vores resultater tyder på, at det pyridiniske nitrogen (en basisk organisk forbindelse), der sidder ved kanten af ​​grafenkvanteprikker, fører til den katalytiske omdannelse af kuldioxid til kulbrinter, " sagde Rice postdoc-forsker Jingjie Wu, medforfatter af avisen. "Den næste opgave er at øge nitrogenkoncentrationen yderligere for at hjælpe med at øge udbyttet af kulbrinter."

Ajayan bemærkede, at mens elektrokatalyse er effektiv på laboratorieskalaer for nu, industrien er afhængig af skalerbar termisk katalyse for at producere brændstoffer og kemikalier. "Af den grund, virksomheder vil formentlig ikke bruge det i den nærmeste fremtid til produktion i stor skala. Men elektrokatalyse kan nemt udføres i laboratoriet, og vi viste, at det vil være nyttigt i udviklingen af ​​nye katalysatorer."