Wetenschappers hebben een door licht geactiveerd materiaal ontwikkeld dat kooldioxide chemisch kan omzetten in koolmonoxide zonder ongewenste bijproducten te genereren. De prestatie markeert een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van technologie die kan helpen bij het genereren van brandstof en andere energierijke producten met behulp van een katalysator op zonne-energie, terwijl de niveaus van een krachtig broeikasgas worden verminderd.

Bij blootstelling aan zichtbaar licht, het materiaal, een "sponsachtige" nikkel organische kristallijne structuur, zet de kooldioxide (CO2) in een reactiekamer uitsluitend om in koolmonoxide (CO) gas, die verder kunnen worden omgezet in vloeibare brandstoffen, oplosmiddelen, en andere nuttige producten.

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en de Nanyang Technological University (NTU) in Singapore publiceerde het werk op 28 juli in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"We laten een selectiviteit van bijna 100 procent van de CO-productie zien, zonder detectie van concurrerende gasproducten zoals waterstof of methaan, " zei Haimei Zheng, stafwetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en co-corresponderende auteur van de studie. "Dat is een groot probleem. Bij de reductie van kooldioxide, je wilt wegkomen met één product, geen mix van verschillende dingen."

De concurrentie uit de weg ruimen

In de chemie, reductie verwijst naar de winst van elektronen in een reactie, terwijl oxidatie is wanneer een atoom elektronen verliest. Een van de bekende voorbeelden van koolstofdioxidereductie is de fotosynthese, wanneer planten elektronen overdragen van water naar koolstofdioxide terwijl ze koolhydraten en zuurstof creëren.

Kooldioxidereductie heeft katalysatoren nodig om de stabiele bindingen van het molecuul te helpen verbreken. De belangstelling voor het ontwikkelen van katalysatoren voor de reductie van koolstofdioxide op zonne-energie om brandstoffen te genereren, is toegenomen met het snelle verbruik van fossiele brandstoffen in de afgelopen eeuw, en met de wens naar hernieuwbare energiebronnen.

Onderzoekers zijn vooral geïnteresseerd in het elimineren van concurrerende chemische reacties bij de reductie van koolstofdioxide.

"Volledige onderdrukking van de concurrerende waterstofevolutie tijdens een fotokatalytische CO2-naar-CO-conversie was niet bereikt vóór ons werk, " zei Zheng.

Bij Berkeley Lab, Zheng en haar collega's ontwikkelden een innovatieve laserchemische methode om een ​​metaal-organisch composietmateriaal te maken. Ze losten nikkelprecursoren op in een oplossing van triethyleenglycol en stelden de oplossing bloot aan een ongerichte infraroodlaser, die een kettingreactie in de oplossing veroorzaakte toen het metaal het licht absorbeerde. De resulterende reactie vormde metaal-organische composieten die vervolgens van de oplossing werden gescheiden.

"Toen we de golflengte van de laser veranderden, we zouden verschillende composieten krijgen, " zei mede-hoofdauteur Kaiyang Niu van de studie, een materiaalwetenschapper in het laboratorium van Zheng. "Zo hebben we vastgesteld dat de reacties door licht werden geactiveerd in plaats van door warmte."

De onderzoekers karakteriseerden de structuur van het materiaal bij de Molecular Foundry, een DOE Office of Science User Facility bij Berkeley Lab. De nikkel-organische fotokatalysator had opmerkelijke overeenkomsten met metaal-organische raamwerken, of MOF's. Terwijl MOF's een regelmatige kristallijne structuur hebben met stijve linkers tussen de organische en anorganische componenten, deze nieuwe fotokatalysator bevat een mix van zachte linkers van verschillende lengtes verbonden met nikkel, het creëren van gebreken in de architectuur.

"De resulterende gebreken zijn opzettelijk, het creëren van meer poriën en plaatsen waar katalytische reacties kunnen optreden, " zei Niu. "Dit nieuwe materiaal is actiever en zeer selectief in vergelijking met MOF's gemaakt door traditionele verwarming."

CO2 reduceren tot CO

Wetenschappers van NTU testten het nieuwe materiaal in een gaskamer gevuld met kooldioxide, het meten van de reactieproducten met behulp van gaschromatografie en massaspectrometrietechnieken met regelmatige tijdsintervallen. Ze stelden vast dat in een uur bij kamertemperatuur, 1 gram van de nikkel-organische katalysator was in staat om 16, 000 micromol, of 400 milliliter, van koolmonoxide. Bovendien, ze stelden vast dat de katalysator een veelbelovend niveau van stabiliteit had waardoor deze voor een langere tijd kon worden gebruikt.

De reductie van kooldioxide door katalysatoren is niet nieuw, maar andere materialen genereren doorgaans meerdere chemicaliën in het proces. De bijna totale productie van koolmonoxide met dit materiaal betekende een nieuw niveau van selectiviteit en controle, benadrukten de onderzoekers.

De onderzoekers hebben een aantal gedachten over hoe deze selectiviteit plaatsvindt. Ze suggereren dat de architectuur van hun fotokatalysator het voor kooldioxide-anionen gemakkelijker maakt om zich aan reactieplaatsen te binden, waardoor er weinig ruimte overblijft voor waterstofradicalen om te landen. Dit zou de protonoverdrachten beperken die nodig zijn om waterstofgas te vormen, aldus de onderzoekers.

De onderzoekers duwden de nikkel-organische fotokatalysator verder door deze te verrijken met rhodium of zilveren nanokristallen om mierenzuur en azijnzuur te creëren, respectievelijk. mierenzuur, gevonden in mierengif en brandnetels, en azijnzuur, het hoofdbestanddeel van azijn, worden beide veel gebruikt in de industrie. Belangrijker, merkten de onderzoekers op, de moleculen van deze producten worden gekenmerkt door twee-koolstofverbindingen, een stap in de richting van de opwekking van energierijkere vloeibare brandstoffen met meer koolstofbindingen

"De wereld heeft op dit moment behoefte aan innovatieve manieren om alternatieven voor fossiele brandstoffen te creëren, en om de niveaus van overmatig CO2 in de atmosfeer in te dammen, " zei Zheng. "Het omzetten van CO2 in brandstoffen met behulp van zonne-energie is een wereldwijde onderzoeksinspanning. De sponsachtige nikkel-organische fotokatalysator die we hier hebben gedemonstreerd, is een cruciale stap in de richting van de praktische productie van hoogwaardige multi-koolstofbrandstoffen met behulp van zonne-energie."