Een nieuwe katalysator gemaakt door U of T Engineering-onderzoekers brengt hen een stap dichter bij kunstmatige fotosynthese - een systeem dat, net als planten, zou hernieuwbare energie gebruiken om koolstofdioxide (CO2) om te zetten in opgeslagen chemische energie. Door zowel CO2-uitstoot op te vangen als energie uit zonne- of windenergie op te slaan, de uitvinding zorgt voor een een-tweetje in de strijd tegen klimaatverandering.

"Het afvangen van koolstof en hernieuwbare energie zijn twee veelbelovende technologieën, maar er zijn problemen " zegt Phil De Luna, een van de hoofdauteurs van een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuurchemie . "Koolstofafvangtechnologie is duur, en zonne- en windenergie zijn intermitterend. U kunt batterijen gebruiken om energie op te slaan, maar een batterij zal geen vliegtuig over de Atlantische Oceaan van stroom voorzien of een huis de hele winter verwarmen:daarvoor heb je brandstoffen nodig."

De Luna en zijn co-hoofdauteurs Xueli Zheng en Bo Zhang - die hun werk uitvoerden onder supervisie van professor Ted Sargent - streven ernaar beide uitdagingen tegelijk aan te pakken, en ze kijken naar de natuur voor inspiratie. Ze ontwerpen een kunstmatig systeem dat nabootst hoe planten en andere fotosynthetische organismen zonlicht gebruiken om CO2 en water om te zetten in moleculen die mensen later als brandstof kunnen gebruiken.

Net als bij planten, hun systeem bestaat uit twee gekoppelde chemische reacties:een die H2O splitst in protonen en zuurstofgas, en een andere die CO2 omzet in koolmonoxide, of CO. (De CO kan vervolgens worden omgezet in koolwaterstofbrandstoffen via een gevestigd industrieel proces dat Fischer-Tropsch-synthese wordt genoemd.)

"De afgelopen paar jaar ons team heeft zeer goed presterende katalysatoren ontwikkeld voor zowel de eerste als de tweede reactie, " zegt Zhang, die aan het werk heeft bijgedragen terwijl hij een postdoctoraal onderzoeker was aan de U of T en nu professor is aan de Fudan University. "Maar terwijl de tweede katalysator onder neutrale omstandigheden werkt, de eerste katalysator vereist hoge pH-waarden om het meest actief te zijn."

Dat betekent dat wanneer de twee worden gecombineerd, het totale proces is niet zo efficiënt als het zou kunnen zijn, omdat er energie verloren gaat bij het verplaatsen van geladen deeltjes tussen de twee delen van het systeem.

Het team heeft dit probleem nu overwonnen door een nieuwe katalysator voor de eerste reactie te ontwikkelen:de katalysator die water splitst in protonen en zuurstofgas. In tegenstelling tot de vorige katalysator, deze werkt bij neutrale pH, en onder die omstandigheden presteert het beter dan enige andere eerder gerapporteerde katalysator.

"Het heeft een laag overpotentieel, wat betekent dat er minder elektrische energie nodig is om de reactie voort te stuwen, " zegt Zheng, die nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de Stanford University. "Daarbovenop, het hebben van een katalysator die kan werken bij dezelfde neutrale pH als de CO2-omzettingsreactie vermindert het algehele potentieel van de cel."

In de krant, het team rapporteert de algehele elektrische-naar-chemische stroomconversie-efficiëntie van het systeem op 64 procent. Volgens De Luna dit is de hoogste waarde die ooit voor een dergelijk systeem is bereikt, inclusief hun vorige, die slechts 54 procent bereikte.

De nieuwe katalysator is gemaakt van nikkel, ijzer, kobalt en fosfor, alle elementen die goedkoop zijn en weinig veiligheidsrisico's opleveren. Het kan bij kamertemperatuur worden gesynthetiseerd met relatief goedkope apparatuur, en het team toonde aan dat het stabiel bleef zolang ze het testten, totaal 100 uur.

Gewapend met hun verbeterde katalysator, het Sargent-lab werkt nu aan het bouwen van hun kunstmatige fotosynthesesysteem op pilootschaal. Het doel is om CO2 af te vangen uit rookgas, bijvoorbeeld van een aardgasgestookte elektriciteitscentrale - en gebruik het katalytische systeem om het efficiënt om te zetten in vloeibare brandstoffen.

"We moeten de juiste bedrijfsomstandigheden bepalen:debiet, concentratie van elektrolyt, elektrisch potentieel, ", zegt De Luna. "Vanaf dit punt, het is allemaal techniek."

Het team en hun uitvinding zijn halve finalisten in de NRG COSIA Carbon XPRIZE, een uitdaging van $ 20 miljoen om "doorbraaktechnologieën te ontwikkelen die de CO2-uitstoot van elektriciteitscentrales en industriële faciliteiten zullen omzetten in waardevolle producten."

Het project was het resultaat van een internationale en multidisciplinaire samenwerking. De Canadese lichtbron in Saskatchewan leverde de hoogenergetische röntgenstralen die werden gebruikt om de elektronische eigenschappen van de katalysator te onderzoeken. De Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy deed theoretisch modelleringswerk. Financiële en in natura steun werd verleend door de Natural Sciences and Engineering Research Council, de Canadese Stichting voor Innovatie, Tianjin Universiteit, Fudan University en de Beijing Light Source.

Wat hem gedurende het hele project gemotiveerd heeft gehouden, De Luna wijst op de mogelijkheid om invloed uit te oefenen op enkele van de grootste milieu-uitdagingen van de samenleving.

"Het was buitengewoon opwindend om de snelle vooruitgang binnen het veld te zien, "zegt hij. "Op elke wekelijkse of maandelijkse conferentie die we in ons lab hebben, links en rechts breken mensen records. Er is nog veel ruimte om te groeien, maar ik geniet echt van het onderzoek, en koolstofemissies zijn zo'n groot probleem dat elke verbetering als een echte prestatie aanvoelt."