Stel je voor dat we CO2 zouden kunnen nemen, de meest beruchte broeikasgassen, en zet het om in iets nuttigs. Iets van kunststof, bijvoorbeeld. De positieve effecten kunnen dramatisch zijn, zowel het wegleiden van CO2 uit de atmosfeer als het verminderen van de behoefte aan fossiele brandstoffen om producten te maken.

Een groep onderzoekers, geleid door de Ted Sargent-groep van de Universiteit van Toronto, zojuist gepubliceerde resultaten die deze mogelijkheid een stuk dichterbij brengen.

Met behulp van de Canadese lichtbron en een nieuwe techniek die exclusief is voor de faciliteit, ze waren in staat om de omstandigheden aan te wijzen die CO2 het meest efficiënt omzetten in ethyleen. Ethyleen, beurtelings, wordt gebruikt om polyethyleen te maken - het meest gebruikte plastic dat tegenwoordig wordt gebruikt - waarvan de jaarlijkse wereldwijde productie ongeveer 80 miljoen ton bedraagt.

"Dit experiment had nergens anders ter wereld kunnen worden uitgevoerd, en we zijn heel blij met de resultaten", zegt U of T Ph.D.-student Phil De Luna, de hoofdonderzoeker van dit project.

De wetenschap

De kern van dit werk is de koolstofdioxide-reductiereactie, waarbij CO2 wordt omgezet in andere chemicaliën door het gebruik van een elektrische stroom en een chemische reactie, geholpen door een katalysator.

Veel metalen kunnen bij dit soort reacties als katalysator dienen:goud, zilver en zink kunnen koolmonoxide maken, terwijl tin en paladium formiaat kunnen maken. Alleen koper kan ethyleen produceren, het kernbestanddeel van polyethyleen plastic.

"Koper is een beetje een magisch metaal. Het is magisch omdat het veel verschillende chemicaliën kan maken, zoals methaan, ethyleen, en ethanol, maar controleren wat het maakt is moeilijk, ’ zegt De Luna.

Dat is precies waar de resultaten van het team op ingaan, echter. Ze waren in staat om een ​​katalysator te ontwerpen en de ideale omstandigheden te bepalen om de ethyleenproductie te maximaliseren, terwijl de methaanoutput tot bijna niets wordt geminimaliseerd.

In combinatie met koolstofafvangtechnologie, dit zou kunnen leiden tot een ongelooflijk groen productiemechanisme voor alledaagse kunststoffen, ondertussen schadelijke broeikasgassen opsluiten.

"Ik denk dat de toekomst gevuld zal zijn met technologieën die waarde uit afval halen. Het is spannend omdat we werken aan het ontwikkelen van nieuwe en duurzame manieren om aan de energievraag van de toekomst te voldoen, ’ zegt De Luna.

Innovatieve technieken en serendipiteit

Een uniek apparaat ontwikkeld door CLS senior wetenschapper Tom Regier maakte het voor de onderzoekers mogelijk om zowel de morfologie, of vorm, en de chemische omgeving van hun koperkatalysator tijdens de CO2-reductiereactie, live.

"Dit is nog nooit eerder gedaan, " zegt promovendus Rafael Quintero-Bermudez, de andere eerste co-auteur van het papier. "Deze unieke meting stelde ons in staat om veel onderzoeksvragen te onderzoeken over hoe het proces plaatsvindt en hoe het kan worden ontwikkeld om te verbeteren."

Door de precieze omstandigheden te identificeren die de ethyleenproductie tijdens de reactie maximaliseren, het is mogelijk om een ​​katalysator te ontwerpen die aan die voorwaarden voldoet.

Quintero-Bermudez en De Luna naderden het einde van hun toegewezen onderzoekstijd bij de CLS toen de belangrijkste resultaten binnenkwamen. Na talloze uren werk, en vele mislukte pogingen, het experiment werkte.

"We stonden op het punt om op te geven, maar toen de resultaten binnenkwamen, ze waren zo goed dat we moesten gaan zitten. Echt mooie resultaten, ", zegt Quintero-Bermudez.

Regier was al even tevreden over het werk.

"We werken voortdurend aan de ontwikkeling van meer en betere tools die de onderzoeksgemeenschap kan gebruiken. Het is de moeite waard als je ziet dat de tools worden gebruikt om belangrijke problemen met belangrijke toepassingen op te lossen, ' zegt Regier.

De kwaliteit van de resultaten spreekt voor zich. Ze behoorden tot de eerste onderzoeken die werden gepubliceerd in het gloednieuwe Natuur familie dagboek Natuur Katalyse .