Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Chicago en het Joint Center for Artificial Photosynthesis hebben vastgesteld hoe elektrokatalysatoren koolstofdioxide kunnen omzetten in koolmonoxide met behulp van water en elektriciteit. De ontdekking kan leiden tot de ontwikkeling van efficiënte elektrokatalysatoren voor grootschalige productie van synthesegas - een mengsel van koolmonoxide en waterstof.

"De elektrochemische reductie van kooldioxide tot brandstoffen is een onderwerp van groot belang omdat het een middel biedt om elektriciteit uit energiebronnen zoals wind- en zonnestraling op te slaan in de vorm van chemische bindingen, " zei Meenesh Singh, assistent-professor chemische technologie en hoofdauteur van de studie gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

Tijdens zijn postdoctoraal onderzoek aan de Universiteit van Californië, Berkeley, Singh bestudeerde kunstmatige fotosynthese en maakte deel uit van een team dat kunstmatige bladeren ontwikkelde die, bij blootstelling aan direct zonlicht, in staat waren om koolstofdioxide om te zetten in brandstoffen.

In zijn laatste onderzoek Singh ontwikkelde een ultramodern multischaalmodel dat een kwantumchemische analyse van het reactiepad verenigt; een microkinetisch model van de reactiedynamiek; en een continuümmodel voor transport van soorten in de elektrolyt om precies te leren hoe koolstofdioxide elektrochemisch kan worden gereduceerd door een katalysator, in dit geval zilver, en verwerkt tot koolmonoxide.

Hoewel de meest plausibele reactieroute meestal wordt geïdentificeerd aan de hand van kwantumchemische berekening van de laagste vrije-energieroute, deze benadering kan misleidend zijn wanneer dekkingen van geadsorbeerde soorten aanzienlijk verschillen, zei Singh. Het is essentieel, daarom, om de effecten van elektronische toestanden van een katalysator op atomair niveau te integreren met de dynamiek van soorten in de elektrolyt op continuümniveau voor nauwkeurige voorspelling van elektrokatalytische reactiepaden.

"Dit multischaalmodel is een van de grootste prestaties in de elektrochemie, " hij zei.

Om te begrijpen hoe elektrokatalysatoren in brandstofcellen of elektrochemische cellen werken, wetenschappers moeten eerst de elektronische en kwantumniveaus onderzoeken, wat zeer uitdagend kan zijn in de aanwezigheid van een elektrisch veld, zei Jason Goodpaster, assistent-professor scheikunde aan de Universiteit van Minnesota en een van de co-auteurs. Het kostte Singh en Goodpaster meer dan een jaar om de modellen individueel te produceren en te benchmarken en ze te integreren in een multischaalraamwerk voor volledige simulatie van de elektrochemische reactie.

Dit is de eerste keer, Singh zei, die wetenschappers kwantitatief hebben voorspeld vanuit de eerste principes, de stroomdichtheid van koolmonoxide en waterstof als functie van de aangelegde potentiaal en de druk van kooldioxide.

"Als je eenmaal herkent hoe deze reacties plaatsvinden op elektrokatalysatoren, u kunt de structuur van de katalysator en de bedrijfsomstandigheden regelen om koolmonoxide efficiënt te produceren, "Zei Singh. Omdat het productgassen zijn - koolmonoxide en waterstof zijn onoplosbaar in waterige elektrolyten - kunnen ze gemakkelijk worden gescheiden als synthesegas en worden omgezet in brandstoffen zoals methanol, dimethylether, of een mengsel van koolwaterstoffen.

Elektrokatalysatoren zoals goud, zilver, zink, Van palladium en gallium is bekend dat ze mengsels van koolstofdioxide en waterstof opleveren in verschillende verhoudingen, afhankelijk van de aangelegde spanning, zei Singh. Goud en zilver vertonen de hoogste activiteit op het gebied van koolstofdioxidereductie, en aangezien zilver overvloediger en goedkoper is dan goud, "zilver is de meest veelbelovende elektrokatalysator voor grootschalige productie van koolmonoxide, " hij zei.