Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy hebben een nieuwe elektrokatalysator ontwikkeld die koolstofdioxide direct kan omzetten in multicarbon-brandstoffen en alcoholen met behulp van een record-lage input van energie. Het werk is het laatste in een reeks onderzoeken die uit Berkeley Lab komen en de uitdaging aangaan om een ​​schoon chemisch productiesysteem te creëren dat koolstofdioxide goed kan gebruiken.

In de nieuwe studie deze week gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ), een team onder leiding van Berkeley Lab-wetenschapper Peidong Yang ontdekte dat een elektrokatalysator bestaande uit koperen nanodeeltjes de voorwaarden bood om koolstofdioxide af te breken om ethyleen te vormen, ethanol, en propanol.

Al die producten bevatten twee tot drie koolstofatomen, en ze worden allemaal beschouwd als hoogwaardige producten in het moderne leven. Ethyleen is het basisingrediënt dat wordt gebruikt om plastic films en flessen te maken, evenals polyvinylchloride (PVC) -buizen. ethanol, meestal gemaakt van biomassa, heeft zijn plaats als biobrandstofadditief voor benzine al gevestigd. Hoewel propanol een zeer effectieve brandstof is, het is momenteel te duur om te vervaardigen om voor dat doel te worden gebruikt.

Om de energie-efficiëntie van de katalysator te meten, wetenschappers beschouwen het thermodynamische potentieel van producten - de hoeveelheid energie die kan worden gewonnen in een elektrochemische reactie - en de hoeveelheid extra spanning die nodig is boven dat thermodynamische potentieel om de reactie met voldoende reactiesnelheden aan te sturen. Die extra spanning wordt de overpotentiaal genoemd; hoe lager de overpotentiaal, hoe efficiënter de katalysator.

"Het is nu vrij gebruikelijk in dit veld om katalysatoren te maken die multicarbon-producten kunnen produceren uit CO2, maar die processen werken meestal met hoge overpotentiaal van 1 volt om aanzienlijke hoeveelheden te bereiken, " zei Yang, een senior faculteitswetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. "Wat we hier rapporteren is veel uitdagender. We ontdekten een katalysator voor koolstofdioxidereductie die werkt bij een hoge stroomdichtheid met een record laag overpotentiaal dat ongeveer 300 millivolt minder is dan typische elektrokatalysatoren."

Kubusachtig koper

De onderzoekers karakteriseerden de elektrokatalysator in de Molecular Foundry van Berkeley Lab met behulp van een combinatie van röntgenfoto-elektronspectroscopie, transmissie elektronenmicroscopie, en scanning elektronenmicroscopie.

De katalysator bestond uit dicht opeengepakte koperen bollen, elk ongeveer 7 nanometer in diameter, gelaagd op carbonpapier in een dicht opeengepakte manier. De onderzoekers ontdekten dat tijdens de zeer vroege periode van elektrolyse, clusters van nanodeeltjes versmolten en getransformeerd in kubusachtige nanostructuren. De kubusachtige vormen varieerden in grootte van 10 tot 40 nanometer.

"Het is na deze overgang dat de reacties om multikoolstofproducten te vormen plaatsvinden, " zei hoofdauteur Dohyung Kim, een afgestudeerde student in de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab en bij de afdeling Materials Science and Engineering van UC Berkeley. "We probeerden te beginnen met voorgevormde koperen kubussen op nanoschaal, maar dat leverde geen significante hoeveelheden multikoolstofproducten op. Het is deze real-time structurele verandering van koperen nanobolletjes naar de kubusachtige structuren die de vorming van multicarbon-koolwaterstoffen en oxygenaten mogelijk maakt."

Hoe dat precies zit, is nog onduidelijk, zei Yang, die ook een professor is aan de afdeling Materials Science and Engineering van UC Berkeley.

"Wat we weten is dat deze unieke structuur een gunstige chemische omgeving biedt voor de omzetting van CO2 naar multicarbon-producten, " zei hij. "De kubusachtige vormen en de bijbehorende interface kunnen een ideale ontmoetingsplaats bieden waar de koolstofdioxide, water, en elektronen kunnen samenkomen."

Veel paden in de reis van CO2 naar brandstof

Deze laatste studie illustreert hoe koolstofdioxidereductie de afgelopen jaren een steeds actiever gebied is geworden in energieonderzoek. In plaats van de energie van de zon te benutten om koolstofdioxide om te zetten in plantaardig voedsel, kunstmatige fotosynthese probeert dezelfde uitgangsingrediënten te gebruiken om chemische voorlopers te produceren die vaak worden gebruikt in synthetische producten en brandstoffen zoals ethanol.

Onderzoekers van Berkeley Lab hebben verschillende aspecten van deze uitdaging op zich genomen, zoals het regelen van het product dat uit de katalytische reacties komt. Bijvoorbeeld, in 2016, voor de productie van acetaat uit CO2 en zonlicht is een hybride halfgeleider-bacteriesysteem ontwikkeld. Eerder dit jaar, een ander onderzoeksteam gebruikte een fotokatalysator om kooldioxide bijna uitsluitend om te zetten in koolmonoxide. Recenter, er is een nieuwe katalysator gemeld voor de effectieve productie van synthesegasmengsels, of syngas.

Onderzoekers hebben ook gewerkt aan het verhogen van de energie-efficiëntie van kooldioxide-reductie, zodat systemen kunnen worden opgeschaald voor industrieel gebruik.

Een recent artikel onder leiding van Berkeley Lab-onderzoekers van het Joint Center for Artificial Photosynthesis maakt gebruik van fundamentele wetenschap om te laten zien hoe het optimaliseren van elk onderdeel van een volledig systeem het doel van brandstofproductie op zonne-energie kan bereiken met indrukwekkende snelheden van energie-efficiëntie.

Deze nieuwe PNAS studie richt zich op de efficiëntie van de katalysator in plaats van een heel systeem, maar de onderzoekers wijzen erop dat de katalysator kan worden aangesloten op verschillende hernieuwbare energiebronnen, inclusief zonnecellen.

"Door gebruik te maken van reeds vastgestelde waarden voor andere componenten, zoals commerciële zonnecellen en elektrolyzers, we projecteren elektriciteits-naar-product en zonne-naar-product energie-efficiënties tot 24,1 en 4,3 procent voor twee tot drie koolstofproducten, respectievelijk, " zei Kim.

Kim schat dat als deze katalysator zou worden opgenomen in een elektrolyseur als onderdeel van een zonne-brandstofsysteem, een materiaal van slechts 10 vierkante centimeter kan ongeveer 1,3 gram ethyleen produceren, 0,8 gram ethanol, en 0,2 gram propanol per dag.

"Met voortdurende verbeteringen in individuele componenten van een zonne-brandstofsysteem, die cijfers zouden in de loop van de tijd moeten blijven verbeteren, " hij zei.