Stel je een dag voor waarop - in plaats van in de atmosfeer te worden gespuwd - de gassen die afkomstig zijn van elektriciteitscentrales en de zware industrie worden opgevangen en toegevoerd aan katalytische reactoren die broeikasgassen zoals koolstofdioxide chemisch omzetten in industriële brandstoffen of chemicaliën en die alleen zuurstof uitstoten.

Het is een toekomst die volgens Haotian Wang dichterbij kan zijn dan velen zich realiseren.

Een Fellow aan het Rowland Institute in Harvard, Wang en collega's hebben een verbeterd systeem ontwikkeld om hernieuwbare elektriciteit te gebruiken om kooldioxide te verminderen tot koolmonoxide - een belangrijk goed dat wordt gebruikt in een aantal industriële processen. Het systeem wordt beschreven in een paper van 8 november gepubliceerd in Joule , een nieuw gelanceerd zustertijdschrift van Cell press.

"Het meest veelbelovende idee is misschien om deze apparaten te koppelen aan kolencentrales of andere industrie die veel CO . produceert ₂ , Wang zei. "Ongeveer 20 procent van die gassen zijn CO ₂ , dus als je ze in deze cel kunt pompen... en het kunt combineren met schone elektriciteit, dan kunnen we mogelijk op een duurzame manier bruikbare chemicaliën uit dit afval produceren, en zelfs een deel van die CO . sluiten ₂ fiets."

Het nieuwe systeem, Wang zei, vertegenwoordigt een dramatische stap voorwaarts van degene die hij en zijn collega's voor het eerst beschreven in een artikel uit 2017 in Chem.

Waar dat oude systeem nauwelijks zo groot was als een mobiele telefoon en vertrouwde op twee met elektrolyt gevulde kamers, die elk een elektrode bevatten, het nieuwe systeem is goedkoper en vertrouwt op hoge concentraties CO ₂ gas en waterdamp om efficiënter te werken - slechts één cel van 10 bij 10 centimeter, Wang zei, kan maar liefst vier liter CO per uur produceren.

Het nieuwe systeem, Wang zei, richt zich op de twee belangrijkste uitdagingen - kosten en schaalbaarheid - die de aanvankelijke aanpak als beperkend beschouwden.

"In dat eerdere werk we hadden de enkelvoudige nikkelatoomkatalysatoren ontdekt die zeer selectief zijn voor het verminderen van CO ₂ naar CO... maar een van de uitdagingen waarmee we werden geconfronteerd, was dat de materialen duur waren om te synthetiseren, Wang zei. "De drager die we gebruikten om enkele nikkelatomen te verankeren, was gebaseerd op grafeen, wat het erg moeilijk maakte om op te schalen als je het in de toekomst op gram- of zelfs kilogramschaal wilde produceren voor praktisch gebruik."

Om dat probleem aan te pakken, hij zei, zijn team wendde zich tot een commercieel product dat duizenden keren goedkoper is dan grafeen als alternatieve ondersteuning:carbon black.

Met behulp van een proces vergelijkbaar met elektrostatische aantrekking, Wang en collega's zijn in staat om enkele nikkelatomen (positief geladen) te absorberen in defecten (negatief geladen) in koolstofzwart-nanodeeltjes, waarbij het resulterende materiaal zowel goedkoop als zeer selectief is voor CO ₂ vermindering.

"Direct, het beste wat we kunnen produceren is gram, maar voorheen konden we alleen milligram per batch produceren, " zei Wang. "Maar dit wordt alleen beperkt door de syntheseapparatuur die we hebben; als je een grotere tank had, je zou kilo's of zelfs tonnen van deze katalysator kunnen maken."

De andere uitdaging die Wang en collega's moesten overwinnen, hield verband met het feit dat het oorspronkelijke systeem alleen in een vloeibare oplossing werkte.

Het oorspronkelijke systeem werkte door een elektrode in één kamer te gebruiken om watermoleculen te splitsen in zuurstof en protonen. Terwijl de zuurstof wegborrelde, protonen die door de vloeibare oplossing worden geleid, zouden naar de tweede kamer gaan, waar ze - met behulp van de nikkelkatalysator - zouden binden met CO ₂ en breek het molecuul uit elkaar, CO en water achterlatend. Dat water kon dan teruggevoerd worden naar de eerste kamer, waar het opnieuw zou worden gesplitst, en het proces zou opnieuw beginnen.

"Het probleem was dat de CO ₂ we kunnen in dat systeem alleen die oplossen die in water zijn opgelost; de meeste moleculen die de katalysator omringen waren water, " zei hij. "Er was slechts een spoorhoeveelheid CO ₂ , dus het was behoorlijk inefficiënt."

Hoewel het verleidelijk kan zijn om simpelweg de spanning op de katalysator te verhogen om de reactiesnelheid te verhogen, die het onbedoelde gevolg kunnen hebben van het splijten van water, CO . niet verminderen ₂ , zei Wang.

"Als je de CO . uitput ₂ dat is dicht bij de elektrode, andere moleculen moeten naar de elektrode diffunderen, en dat kost tijd, " zei Wang. "Maar als je de spanning verhoogt, het is waarschijnlijker dat het omringende water die kans aangrijpt om te reageren en te splitsen in waterstof en zuurstof."

De oplossing bleek relatief eenvoudig:om splijten van water te voorkomen, het team haalde de katalysator uit de oplossing.

"We hebben dat vloeibare water vervangen door waterdamp, en voer in hoge concentratie CO ₂ gas, " zei hij. "Dus als het oude systeem meer dan 99 procent water en minder dan 1 procent CO . was ₂ , nu kunnen we dat volledig omkeren, en pomp 97 procent CO ₂ gas en slechts 3 procent waterdamp in dit systeem. Daarvoor fungeert vloeibaar water ook als ionengeleiders in het systeem, en nu gebruiken we in plaats daarvan ionenuitwisselingsmembranen om ionen te helpen bewegen zonder vloeibaar water.

"De impact is dat we een orde van grootte hogere stroomdichtheid kunnen leveren, " vervolgde hij. "Voorheen, we werkten op ongeveer tien milliampère per centimeter kwadraat, maar vandaag kunnen we gemakkelijk opvoeren tot 100 milliampère."

Vooruit gaan, Wang zei, het systeem heeft nog steeds uitdagingen te overwinnen, vooral met betrekking tot stabiliteit.

"Als je dit wilt gebruiken om een ​​economische of ecologische impact te maken, het moet een continue operatie hebben van duizenden uren, "zei hij. "Op dit moment, we kunnen dit tientallen uren doen, dus er is nog een groot gat, maar ik geloof dat die problemen kunnen worden aangepakt met een meer gedetailleerde analyse van zowel de CO ₂ reductiekatalysator en de wateroxidatiekatalysator."

uiteindelijk, Wang zei, de dag kan komen dat de industrie in staat zal zijn om de CO . af te vangen ₂ dat nu in de atmosfeer terechtkomt en omgevormd wordt tot bruikbare producten.

"Koolmonoxide is geen bijzonder hoogwaardig chemisch product, Wang zei. "Om meer mogelijkheden te verkennen, mijn fractie heeft ook verschillende op koper gebaseerde katalysatoren ontwikkeld die de CO .-uitstoot verder kunnen verminderen ₂ in producten die veel waardevoller zijn."

Wang prees de vrijheid die hij genoot bij het Rowland Institute voor het helpen leiden tot doorbraken zoals het nieuwe systeem.

"Rowland heeft me voorzien, als een vroege carrière-onderzoeker, een geweldig platform voor onafhankelijk onderzoek, die een groot deel van de onderzoeksrichtingen initieert die mijn groep naar voren zal blijven duwen, " zei Wang, die onlangs een functie aan de Rice University aanvaardde. "Ik zal mijn dagen hier zeker missen."