Een nieuwe technologie van U of T Engineering zet een substantiële stap om fabrikanten in staat te stellen plastic te maken van twee belangrijke ingrediënten:zonneschijn en vervuiling.

Vandaag, niet-hernieuwbare fossiele brandstoffen leveren niet alleen de grondstof waaruit kunststoffen worden gemaakt, ze zijn ook de brandstof die wordt verbrand om het productieproces aan te drijven, het produceren van klimaatverwarmende koolstofdioxide (CO ₂ )—het Internationaal Energie Agentschap schat dat de productie van de belangrijkste precursoren voor kunststoffen verantwoordelijk is voor 1,4 procent van de wereldwijde CO ₂ uitstoot.

Een team onder leiding van professor Ted Sargent van de Universiteit van Toronto zet dit proces op zijn kop. Ze stellen zich het vastleggen van CO . voor ₂ geproduceerd door andere industriële processen en met behulp van hernieuwbare elektriciteit, zoals zonne-energie, om het om te zetten in ethyleen. Ethyleen is een veel voorkomende industriële chemische stof die een voorloper is van veel kunststoffen, zoals die worden gebruikt in boodschappentassen.

Het systeem pakt een belangrijke uitdaging aan die verband houdt met het afvangen van koolstof. Hoewel er technologie bestaat om CO . te filteren en te extraheren ₂ van rookgassen, de stof heeft momenteel weinig economische waarde die de kosten van het vangen ervan kan compenseren - het is een geldverliezende propositie. Door deze koolstof om te zetten in een commercieel waardevol product zoals ethyleen, het team streeft ernaar de prikkels voor bedrijven om te investeren in technologie voor het afvangen van koolstof te vergroten.

De kern van de oplossing van het team zijn twee innovaties:het gebruik van een contra-intuïtief dunne op koper gebaseerde katalysator en een opnieuw ontworpen experimentele strategie.

"Toen we de CO . uitvoerden ₂ omzetting in ethyleen in zeer basische media, we ontdekten dat onze katalysator zowel de energie-efficiëntie als de selectiviteit van de conversie verbeterde tot de hoogste niveaus ooit geregistreerd, " zei postdoctoraal onderzoeker Dr. Cao-Thang Dinh, de eerste auteur van het artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap . In deze context, efficiëntie betekent dat er minder elektriciteit nodig is om de conversie te realiseren. De auteurs gebruikten deze kennis vervolgens om de katalysator verder te verbeteren en de reactie te stimuleren om de vorming van ethyleen te bevorderen. in tegenstelling tot andere stoffen.

Volgende, het team richtte zich op stabiliteit, wat al lang een uitdaging is met dit type op koper gebaseerde katalysator. Theoretische modellering laat zien dat basisvoorwaarden, dat wil zeggen hoge pH-waarden - zijn ideaal voor het katalyseren van CO ₂ tot ethyleen. Maar onder deze omstandigheden de meeste katalysatoren, en hun steun, afgebroken na minder dan 10 uur.

Het team overwon deze uitdaging door hun experimentele opstelling te veranderen. Eigenlijk, ze zetten hun katalysator af op een poreuze dragerlaag van polytetrafluorethyleen (PTFE, beter bekend als teflon) en hun katalysator aan de andere kant ingeklemd met koolstof. Deze nieuwe opstelling beschermt de drager en katalysator tegen degradatie door de basisoplossing, en zorgt ervoor dat het 15 keer langer meegaat dan eerdere katalysatoren. Als een toegevoegde bonus, deze opstelling verbeterde ook de efficiëntie en selectiviteit nog verder.

"De afgelopen decennia hebben we weten dat deze reactie onder basisomstandigheden zou helpen, maar niemand wist van die kennis te profiteren en deze om te zetten in een praktisch systeem, ", zegt Dinh. "We hebben laten zien hoe we die uitdaging kunnen overwinnen."

Momenteel is hun systeem in staat om de conversie op laboratoriumschaal uit te voeren, produceren van enkele grammen ethyleen per keer. Het langetermijndoel van het team is om de technologie op te schalen tot het punt waarop ze in staat zijn om de vele tonnen chemicaliën die nodig zijn voor commerciële toepassing om te zetten.

"We hebben in dit werk drie gelijktijdige vorderingen gemaakt:selectiviteit, energie-efficiëntie en stabiliteit, " zegt Sargent. "Als groep, we zijn sterk gemotiveerd om technologieën te ontwikkelen die ons helpen de wereldwijde uitdaging van een koolstofneutrale toekomst te realiseren."

De multidisciplinaire groep, waaronder ook professor werktuigbouwkunde David Sinton, bundelt krachten in materiaalkunde, chemische technologie, scheikunde en werktuigbouwkunde, biedt nieuwe perspectieven op het veld. Verschillende leden zijn ook betrokken bij CERT, het team van de Universiteit van Toronto dat net is doorgegaan naar de laatste ronde van de NRG COSIA Carbon XPRIZE. De Carbon XPRIZE-wedstrijd daagt groepen uit de industrie en de academische wereld uit om de koolstofemissies van elektriciteitscentrales af te vangen en deze efficiënt om te zetten in waardevolle chemische producten.