Er zijn drastische verbeteringen aangebracht in het proces van het omzetten van kooldioxide, een broeikasgas, naar methanol, een brandstof en bouwsteen voor een breed scala aan alledaagse materialen, volgens onderzoekers van Penn State.

Atmosferische kooldioxideconcentraties nemen toe en klimaatverandering wordt een wereldwijde zorg die wereldwijde inspanningen vereist om de uitstoot van kooldioxide te verminderen. Een benadering is om koolstofdioxide te gebruiken als koolstofbron in reacties met waterstof, waar de waterstof wordt geproduceerd uit water met behulp van hernieuwbare energie, en de reactie synthetiseert methanol. Dit zal de uitstoot van kooldioxide helpen verminderen en de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen verminderen.

Onderzoekers hebben het proces van het omzetten van koolstofdioxide in methanol gevorderd, die vier delen waterstof bevat, een deel zuurstof en een deel koolstof, door een nieuwe katalysator te ontwikkelen die gebruikmaakt van een specifieke formulering van palladium en koper. Het theoretische en experimentele werk, onlangs gepubliceerd in ACS Katalyse , is het resultaat van jarenlang geïntegreerd experimenteel en computationeel onderzoek uitgevoerd in samenwerking met de Dalian University of Technology in China in samenwerking met het Penn State-Dalian Joint Centre for Energy Research. Het gezamenlijke onderzoek tussen Penn State en Dalian heeft de voordelen blootgelegd van het combineren van de twee metalen als katalysator.

Een sleutelfactor bij het omzetten van kooldioxide in methanol is het vinden van een goede katalysator zodat methanol met een hoge selectiviteit en met een efficiënte snelheid kan worden geproduceerd. In het atoomverhoudingsbereik van palladium tot koper van 0,3 tot 0,4, het combineren van palladium en koper leverde de meest efficiënte omzetting van methanol uit koolstofdioxide op met behulp van nanodeeltjes van de katalysator gedispergeerd op een poreus dragermateriaal dat het oppervlak van de katalysator vergroot. Met een katalysator ter grootte van een walnoot, het inwendige oppervlak van de katalysator zou ongeveer het oppervlak van een voetbalveld beslaan.

Onderzoekers ontdekten dat de nieuwe formuleringen, met behulp van de precieze atomaire verhouding van de twee metalen, verhoogde de snelheid van methanolvorming met drie keer meer dan alleen palladium en vier keer meer dan alleen koper, wat een aanzienlijke verbetering betekent ten opzichte van eerdere methoden.

Chunshan-lied, vooraanstaand hoogleraar brandstofwetenschap, hoogleraar chemische technologie en directeur van de Earth and Mineral Sciences' (EMS) Energy

Instituut, vergeleek het proces met een kat die een muis vangt op het oppervlak van een katalysator. Om de conversie te laten plaatsvinden, je hebt zowel koolstofdioxide - de kat - als waterstof - de muis nodig. Maar je moet de ideale omstandigheden creëren voor de kat om de muis met succes te vangen. Als de kat de muis niet kan bereiken, of omstandigheden vertragen het, de kat heeft minder succes.

Dit werkt omdat de katalysator die twee metalen combineert niet alleen de energetische vereisten kan verlagen om de reactie van kooldioxide en waterstof te versnellen, maar verandert ook de reactieroutes om meer gewenst product te produceren met een hogere energie-efficiëntie.

"Conventionele studies waren gericht op koper, maar dat levert geen efficiënte resultaten op, ' zei Song. 'Het is hetzelfde voor palladium. Maar door palladium en koper samen te voegen, ontstaat een unieke oppervlaktestructuur die een speciale selectiviteit vertoont voor het maken van methanol uit koolstofdioxide. Deze studie biedt de fundamentele inzichten in de zeer synergetische effecten van het samen gebruiken van deze twee metalen."

Om methanol te maken, onderzoekers pompten waterstof en koolstofdioxide in een afgesloten kamer van een reactorvat vol met de katalysator en verwarmden de inhoud tot tussen de 356 en 482 graden Fahrenheit. De maximale omzetting van kooldioxide naar methanol is ongeveer 24 procent, de niet-omgezette kooldioxide en waterstof worden echter gerecycled en teruggevoerd naar het vat in een industriële omgeving, vergelijkbaar met wat wordt gedaan bij conventionele methanolsynthese met koolmonoxide en waterstof.

Het kooldioxide-hydrogeneringsproces werkt door water te ontbinden om waterstofgas te creëren met behulp van hernieuwbare energie, die zich vervolgens bindt met het koolstofdioxide op het oppervlak van de katalysator om methanol te creëren. Song zei dat, omdat hun katalysator een hoge selectiviteit bevordert, een groter percentage van de producten naar het maken van methanol gaat.

Methanol wordt gebruikt om veel materialen en brandstoffen te maken, van lijmen en multiplex ondervloeren tot waterflessen, kreukvrije overhemden en dieselbrandstof. Het is ook een chemische stof die wordt gebruikt bij het maken van antivries, ruitenwisservloeistof, oplosmiddelen en andere producten. Nieuwe katalysatoren voor het omzetten van kooldioxide in een aantal industrieel bruikbare chemicaliën, brandstoffen, en materialen zoals kunststoffen worden door Song actief ontwikkeld via het Penn State-Dalian Joint Centre for Energy Research.

Song zei dat het efficiënt maken van brandstoffen en industriële chemicaliën uit kooldioxide met behulp van hernieuwbare energie wordt beschouwd als de heilige graal voor de bestrijding van klimaatverandering, omdat de brandstoffen zelfs beter zijn dan koolstofneutrale of hernieuwbare brandstoffen. Het proces zet broeikasgassen in wezen om in brandstoffen die bij verbranding koolstofdioxide uitstoten. Dit proces, in combinatie met het opvangen van kooldioxide uit de omgeving, komt neer op het recyclen van koolstofdioxide in plaats van het te creëren of te vermijden.

"Ons huidige energiesysteem is grotendeels afhankelijk van op koolstof gebaseerde fossiele energiebronnen, " zei Song. "Zelfs hernieuwbare brandstoffen zoals biomassa, biogas en organisch afval, ze zijn allemaal op koolstof gebaseerd. Maar in de toekomst, waar komt koolstof vandaan? Als we koolstof uit koolstofdioxide gaan gebruiken, we kunnen het recyclen, een duurzame, op koolstof gebaseerde energiecyclus creëren, en dan stabiliseren we de kooldioxideconcentratie in de atmosfeer. Daarom ben ik hier zo enthousiast over."