De meeste auto's en vrachtwagens in de Verenigde Staten rijden op een mengsel van 90 procent benzine en 10 procent ethanol, een hernieuwbare brandstof voornamelijk gemaakt van gefermenteerde maïs. Maar om de 14 miljard gallons ethanol te produceren die jaarlijks door Amerikaanse chauffeurs worden verbruikt, zijn miljoenen hectaren landbouwgrond nodig.

Een recente ontdekking door wetenschappers van Stanford University zou kunnen leiden tot een nieuwe, duurzamere manier om ethanol te maken zonder maïs of andere gewassen. Deze veelbelovende technologie heeft drie basiscomponenten:water, koolstofdioxide en elektriciteit geleverd via een koperen katalysator. De resultaten worden gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Een van onze langetermijndoelen is om hernieuwbare ethanol te produceren op een manier die geen invloed heeft op de wereldwijde voedselvoorziening, " zei hoofdonderzoeker Thomas Jaramillo, een universitair hoofddocent chemische technologie aan Stanford en fotonenwetenschap aan het SLAC National Accelerator Laboratory.

Wetenschappers willen koperkatalysatoren ontwerpen die selectief koolstofdioxide omzetten in hoogwaardige chemicaliën en brandstoffen, zoals ethanol en propanol, met weinig of geen bijproducten. Maar eerst hebben ze een duidelijk begrip nodig van hoe deze katalysatoren echt werken. Dat is waar de recente bevindingen binnenkomen.

Koper kristallen

Voor de PNAS studie, het Stanford-team koos drie monsters kristallijn koper, bekend als koper (100), koper (111) en koper (751). Wetenschappers gebruiken deze getallen om de oppervlaktegeometrieën van eenkristallen te beschrijven.

"Koper (100), (111) en (751) zien er vrijwel identiek uit, maar hebben grote verschillen in de manier waarop hun atomen op het oppervlak zijn gerangschikt, " zei Christopher Hahn, een associate staff scientist bij SLAC en co-lead hoofdauteur van de studie. "De essentie van ons werk is om te begrijpen hoe deze verschillende facetten van koper de elektrokatalytische prestaties beïnvloeden."

In eerdere onderzoeken is wetenschappers hadden monokristallijne koperen elektroden gemaakt van slechts 1 vierkante millimeter groot.

"Met zo'n klein kristal, het is moeilijk om de moleculen die aan het oppervlak worden geproduceerd te identificeren en te kwantificeren, " legde Hahn uit. "Dit leidt tot problemen bij het begrijpen van de chemische reacties, dus ons doel was om grotere koperelektroden te maken met de oppervlaktekwaliteit van een enkel kristal."

Om grotere monsters te maken, Hahn en zijn medewerkers bij SLAC ontwikkelden een nieuwe manier om monokristallijn koper te laten groeien op grote plakken silicium en saffier.

"Wat Chris deed was geweldig, " zei Jaramillo. "Hij maakte films van koper (100), (111) en (751) met oppervlakken van 6 vierkante centimeter. Dat is 600 keer groter dan typische eenkristallen.

Katalytische prestaties

Om elektrokatalytische prestaties te vergelijken, de onderzoekers plaatsten de drie grote elektroden in water, stelde ze bloot aan kooldioxidegas en paste een potentieel toe om een ​​elektrische stroom op te wekken.

De resultaten waren duidelijk. Wanneer een specifieke spanning werd toegepast, de elektroden van koper (751) waren veel selectiever voor vloeibare producten, zoals ethanol en propanol, dan die van koper (100) of (111). De verklaring kan liggen in de verschillende manieren waarop koperatomen op de drie oppervlakken zijn uitgelijnd.

"In koper (100) en (111), de oppervlakte-atomen zijn dicht op elkaar gepakt, als een vierkant rooster en een honingraat, respectievelijk", zei Hahn. "Als gevolg daarvan, elk atoom is gebonden aan vele andere atomen eromheen, en dat heeft de neiging om het oppervlak inert te maken."

Maar in koper (751), de oppervlakte-atomen staan ​​verder uit elkaar.

"Een koperatoom (751) heeft maar twee naaste buren, zei Hahn. "Maar een atoom dat niet aan andere atomen is gebonden, is behoorlijk ongelukkig, en dat zorgt ervoor dat het sterker wil binden aan binnenkomende reactanten zoals koolstofdioxide. Wij zijn van mening dat dit een van de belangrijkste factoren is die leiden tot een betere selectiviteit voor producten met een hogere waarde, zoals ethanol en propanol."

uiteindelijk, het Stanford-team wil een technologie ontwikkelen die in staat is om selectief koolstofneutrale brandstoffen en chemicaliën op industriële schaal te produceren.

"Het oog op de prijs is om betere katalysatoren te creëren die een baanbrekend potentieel hebben door koolstofdioxide als grondstof te nemen en dit om te zetten in veel waardevollere producten die rechtstreeks gebruikmaken van hernieuwbare elektriciteit of zonlicht, " zei Jaramillo. "We zijn van plan deze methode op nikkel en andere metalen te gebruiken om de chemie aan de oppervlakte beter te begrijpen. We denken dat deze studie een belangrijk stukje van de puzzel is en hele nieuwe wegen van onderzoek zal openen voor de gemeenschap."

Jaramillo is ook adjunct-directeur van het SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, een samenwerkingsverband van de Stanford School of Engineering en SLAC.

De studie is ook geschreven door co-hoofdauteur Toru Hatsukade, Drew Higgins en Stephanie Nitopi op Stanford; Youn-Geun Kim bij SLAC; en Jack Baricuatro en Manuel Soriaga van het California Institute of Technology.