Een team van wetenschappers van de National University of Singapore (NUS) heeft een prototype apparaat ontwikkeld dat natuurlijke fotosynthese nabootst om ethyleengas te produceren met alleen zonlicht, water en koolstofdioxide. De nieuwe methode, die ethyleen produceert bij kamertemperatuur en druk met behulp van goedaardige chemicaliën, kan worden opgeschaald om een ​​milieuvriendelijker en duurzamer alternatief te bieden voor de huidige methode van ethyleenproductie.

Deze ontwikkeling onder leiding van universitair docent Jason Yeo Boon Siang van de afdeling Scheikunde van de NUS Faculty of Science en het Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS) werd voor het eerst gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift ACS Sustainable Chemistry &Engineering.

Uitdagingen van de huidige productie van ethyleen

Ethyleen, dat is de bouwsteen van polyethyleen, is een belangrijke chemische grondstof die in grote hoeveelheden wordt geproduceerd voor de productie van kunststoffen, rubber en vezels. Alleen al in 2015 werd wereldwijd meer dan 170 miljoen ton ethyleen geproduceerd, en de wereldwijde vraag zal tegen 2020 naar verwachting meer dan 220 miljoen ton bedragen.

De huidige industriële productie van ethyleen maakt gebruik van stoomkraken van fossiele brandstoffen tussen 750 °C en 950 °C, die een grote hoeveelheid energie verbruikt en een belasting vormt voor de natuurlijke brandstofbronnen. De huidige methode laat ook een aanzienlijke ecologische voetafdruk achter, uitstoot van ongeveer twee ton koolstofdioxide voor elke geproduceerde ton ethyleen. Als zodanig, er is een groeiende vraag naar een schonere en duurzamere manier om ethyleen te produceren.

Kunstmatige fotosynthese toepassen

Zich bewust van de noodzaak van een milieuvriendelijkere methode, Asst Prof Yeo en zijn team maakten gebruik van hernieuwbare energie om ethyleen te produceren. Het team ontwierp in 2015 voor het eerst een koperkatalysator die ethyleen kan genereren uit gemakkelijk beschikbaar water en koolstofdioxide wanneer deze wordt aangedreven door elektriciteit. Deze koperkatalysator werd vervolgens geïntroduceerd in een kunstmatig fotosynthesesysteem om koolstofdioxide en water om te zetten in ethyleen met alleen zonne-energie. Het prototype-apparaat dat is ontworpen om de reactie uit te voeren, behaalde een faraday-efficiëntie van 30 procent van ethyleen op basis van de hoeveelheid elektronen die uit zonne-energie worden gegenereerd. De algehele energie-efficiëntie van zonne-tot-ethyleen is ook vergelijkbaar met het niveau van energie-efficiëntie van natuurlijke fotosynthese door planten.

"Het afvangen van koolstof is een belangrijke stap in het bestrijden van door de mens veroorzaakte klimaatverandering. Er is een gestage toename van de atmosferische concentratie van koolstofdioxide, omdat de uitstoot van kooldioxide groter is dan die van de koolstofafvang. Dit is toegeschreven als een belangrijke oorzaak van de opwarming van de aarde, die leidt tot ongewenste veranderingen in het milieu. Ons apparaat maakt niet alleen gebruik van een volledig hernieuwbare energiebron, maar zet ook koolstofdioxide om, een broeikasgas in iets nuttigs. Dit zou de koolstofkringloop mogelijk kunnen sluiten, " zei prof Yeo.

Het team heeft ook een batterij in het prototype-apparaat ingebouwd om een ​​stabiele en continue productie van ethyleen te bereiken, een belangrijke uitdaging in kunstmatige fotosynthesesystemen. De batterij slaat overtollige zonne-energie op die overdag wordt verzameld om het apparaat 's nachts of bij weinig licht van stroom te voorzien. ervoor te zorgen dat de werkzaamheden niet worden onderbroken door een wisselende hoeveelheid zonlicht gedurende de dag.

De uitvinding markeert een belangrijke mijlpaal in de realisatie van een schaalbaar kunstmatig fotosynthesesysteem voor schone en duurzame productie van belangrijke organische moleculen zoals ethyleen.

Vooruit gaan, het team zal blijven werken aan hun apparaat om de productie van ethyleen op te schalen en vergelijkbare systemen gebruiken om vloeibare brandstoffen zoals ethanol en propanol te produceren.