Wetenschappers hebben een nieuw recept ontwikkeld voor het maken van synthesegasmengsels, of syngas, dat omvat het toevoegen van een snufje koperatomen die bovenop een gouden oppervlak zijn gestrooid. Het nieuwe materiaal ondersteunt een elektrochemische reactie bij kamertemperatuur die koolstofdioxide en water kan omzetten in syngas, een mengsel van koolmonoxide en waterstof, en een belangrijke voorloper bij de productie van chemicaliën en synthetische brandstoffen.

De onderzoekers zeggen dat syngas stroomafwaarts kan worden omgezet in kleine moleculen, zoals ethanol, of grotere koolwaterstoffen, zoals die in benzine, door fermentatie of thermochemie. Het ontwerpen van een materiaal en een proces waarmee de samenstelling van syngas gemakkelijk kan worden gecontroleerd, zou een belangrijke verbetering zijn bij het verminderen van de milieueffecten van die industriële processen.

Ze beschrijven hun ontwerp in een paper dat onlangs is gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society . De studie werd geleid door Peidong Yang, senior faculteitswetenschapper bij het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) Materials Sciences Division van het Department of Energy, en Edward Sargent, professor aan de afdeling Electrical and Computer Engineering van de Universiteit van Toronto.

"We kennen geen enkele andere elektrokatalysator die hoge productiesnelheden combineert met zo'n uitgebreide regeling van de syngassamenstelling, " zei Yang, die ook hoogleraar scheikunde is aan de Universiteit van Californië, Berkeley. "Veel processen waarbij syngas wordt gebruikt, vereisen verschillende gassamenstellingen, dus we wilden een familie van elektrokatalysatoren creëren die gemakkelijk kunnen worden afgesteld."

De onderzoekers ontdekten dat ze de hoeveelheid koolmonoxide en waterstof die door de elektrokatalysator worden gegenereerd, konden regelen door de hoeveelheid koperatomen aan te passen die op een nanogestructureerd goudoppervlak waren aangebracht.

"Het koper verandert de sterkte waarmee CO2 zich aan het oppervlak bindt, " zei hoofdauteur Michael Ross, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Yang. "Een oppervlak met nanostructuur dat voornamelijk uit goud bestaat, levert voornamelijk koolmonoxide op. Om een ​​mengsel te produceren dat meer waterstof bevat, we voegen meer koper toe."

De onderzoekers gebruikten röntgenfoto-elektronspectroscopietechnieken bij de Molecular Foundry van Berkeley Lab om de hoeveelheid koper op de gouden elektrokatalysator te kwantificeren die nodig is om verschillende syngasmengsels te maken. Bijvoorbeeld, een 1-atoom dikke laag koper die het goudoppervlak bedekt, kan een 2-op-1 mengsel van waterstof tot koolmonoxide produceren. Als het goud onvervalst blijft, de waterstof-koolmonoxide-mix is ​​1-op-10, demonstreren brede flexibiliteit in syngas output.

"Als deze elektrokatalysatoren kunnen worden opgeschaald om in industriële reactoren te werken, we zouden syngas kunnen maken met duurzaam opgewekte elektriciteit en CO2, " zei Ross. "Syngas wordt momenteel omgezet in methanol, diesel brandstof, en andere nuttige chemicaliën over de hele wereld. Dit zou de productie van deze chemicaliën veel duurzamer kunnen maken."