Op een willekeurige dag, meer dan 2 miljoen pond koolstofdioxide wordt vanuit fabrieken in de atmosfeer gepompt, emissies van auto's en vrachtwagens en de verbranding van kolen en aardgas om elektriciteit op te wekken.

Voor velen, het is een reden tot bezorgdheid over het milieu, maar voor Haotian Wang, het is de perfecte grondstof.

Een Fellow aan het Rowland Institute in Harvard, Wang en zijn onderzoeksteam hebben een systeem ontwikkeld dat hernieuwbare elektriciteit gebruikt om kooldioxide elektrochemisch om te zetten in koolmonoxide - een belangrijk goed dat wordt gebruikt in een groot aantal industriële processen. Het energieconversierendement van zonlicht naar CO kan oplopen tot 12,7%, meer dan één orde van grootte hoger dan natuurlijke fotosynthese. Het apparaat wordt beschreven in een recent artikel gepubliceerd in Chemo .

"In principe, wat dit is, is een vorm van kunstmatige fotosynthese, " zei Wang. "In een plant, zonlicht, CO2 en water worden suiker en zuurstof. In ons systeem, de ingang is zonlicht, CO2 en water, en we produceren CO en zuurstof."

Die reactie vindt plaats in een onopvallend apparaat, nauwelijks de grootte van een smartphone, die twee met elektrolyt gevulde kamers omvat, gescheiden door een ionenuitwisselingsmembraan.

Op één website, een elektrode aangedreven door hernieuwbare energie oxideert watermoleculen tot zuurstofgas en maakt protonen vrij. Deze protonen gaan naar de andere kamer waar ze - met behulp van een zorgvuldig ontworpen metalen enkelatoomkatalysator - binden aan kooldioxidemoleculen, het creëren van water en koolmonoxide.

"De uitdaging is dat de meeste bekende katalysatoren de neiging hebben om waterstofgas te produceren, " zei Wang. "Dus het is moeilijk, als je water splitst, om te voorkomen dat die protonen samengaan om waterstofgas te vormen. Wat we nodig hadden, was een katalysator die waterstofontwikkeling kan voorkomen en in plaats daarvan die protonen efficiënt in CO2 kan injecteren. waardoor een hoge selectiviteit voor CO2-reductie wordt bereikt."

Helaas, de twee bekendste van dergelijke katalysatoren zijn goud en zilver - edele metalen die erg duur zijn om de reactie op grote schaal kosteneffectief te maken.

"Dus begonnen we met goedkope materialen zoals nikkel, ijzer en kobalt, die allemaal aarde-overvloedig zijn, "Kun Jiang zei:die een postdoctoraal onderzoeker is in de Wang-groep en de eerste auteur van dit werk. "Maar het probleem is dat het allemaal hele goede waterstofkatalysatoren zijn, dus willen ze waterstofgas produceren.

In aanvulling, ze kunnen allemaal heel gemakkelijk worden vergiftigd door koolmonoxide, " voegde hij eraan toe. "Zelfs als het je lukt om ze te gebruiken om CO2 te verminderen, de resulterende CO bindt zeer sterk aan het oppervlak, voorkomen dat verdere reacties plaatsvinden."

Om die problemen op te lossen, Wang en zijn Stanford-medewerkers, Prof. Yi Cui en prof. Jens Nørskov, begonnen met het "afstemmen" van de elektronische eigenschappen van de metalen. Dr. Samira Siahrostami, een stafwetenschapper van de Prof. Nørskov-groep rationaliseerde de aard van actieve sites door atomaire schaalmodellering en ontdekte dat het dispergeren van nikkelmetalen in geïsoleerde afzonderlijke atomen, die vastzitten in grafeenvacatures, produceerde een materiaal dat graag wilde reageren met kooldioxide en bereid was om het resulterende koolmonoxide vrij te geven.

Dat koolmonoxide, Wang zei, kan vervolgens worden gebruikt in tal van industriële processen.

"Koolmonoxide is een zeer belangrijk industrieproduct, " zei Wang. "Het kan worden gebruikt bij de productie van kunststoffen, om koolwaterstofproducten te maken of kan zelf als brandstof worden verbrand. Het wordt veel gebruikt in de industrie."

uiteindelijk, Hoewel, de hoop is dat het systeem op een dag voldoende kan worden opgeschaald om koolstofdioxide uit de atmosfeer te verwijderen in een poging de wereldwijde klimaatverandering tegen te gaan.

"Het basisidee was of we bestaande CO2 kunnen afvangen en hernieuwbare elektriciteit kunnen gebruiken, van zonne- of windenergie, om het te reduceren tot bruikbare chemicaliën, "Wang zei, "dan kunnen we mogelijk een koolstofkringloop vormen."