Al decenia, wetenschappers hebben gezocht naar effectieve manieren om overtollige kooldioxide-emissies uit de lucht te verwijderen, en recycle ze in producten zoals hernieuwbare brandstoffen. Maar het proces om koolstofdioxide om te zetten in bruikbare chemicaliën is vervelend, duur, en verspillend en dus economisch of ecologisch niet levensvatbaar.

Nu blijkt uit een ontdekking door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en het Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) van het Amerikaanse Department of Energy dat het recyclen van koolstofdioxide in waardevolle chemicaliën en brandstoffen economisch en efficiënt kan zijn - en dat allemaal via een enkele koperkatalysator .

Het werk verschijnt in de 17 december editie van het tijdschrift Natuur Katalyse .

Gaan waar de actie is:productspecifieke actieve sites

Als je een stuk kopermetaal neemt, het kan glad aanvoelen, maar op microscopisch niveau, het oppervlak is eigenlijk hobbelig - en deze hobbels zijn wat wetenschappers "actieve sites, " zei Joël Ager, een onderzoeker bij JCAP die de studie leidde. Ager is een stafwetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een adjunct-professor bij de afdeling Materials Science and Engineering aan UC Berkeley.

Op deze actieve plaatsen vindt de magie van elektrokatalyse plaats:elektronen van het koperoppervlak interageren met koolstofdioxide en water in een reeks stappen die ze omzetten in producten zoals ethanolbrandstof; ethyleen, de voorloper van plastic zakken; en propanol, een alcohol die veel wordt gebruikt in de farmaceutische industrie.

Al sinds de jaren tachtig, toen het talent van koper voor het omzetten van koolstof in verschillende nuttige producten werd ontdekt, er werd altijd aangenomen dat de actieve sites niet productspecifiek waren, met andere woorden, je zou koper kunnen gebruiken als katalysator voor het maken van ethanol, ethyleen, propanol, of een andere op koolstof gebaseerde chemische stof, maar je zou heel wat stappen moeten doorlopen om ongewenste, restchemicaliën gevormd tijdens de tussenfasen van een chemische reactie voordat ze op uw eindbestemming aankomen - het chemische eindproduct.

"Het doel van 'groene' of duurzame chemie is om het product te krijgen dat je wilt tijdens de chemische synthese, "zei Ager. "Je wilt dingen die je niet wilt niet scheiden van de gewenste producten, want dat is duur en milieu ongewenst. En die kosten en verspilling verminderen de economische levensvatbaarheid van op koolstof gebaseerde zonnebrandstoffen."

Dus toen Ager en co-auteur Yanwei Lum, die een UC Berkeley Ph.D. student in het laboratorium van Ager op het moment van de studie, onderzochten de katalytische eigenschappen van koper voor een zonnebrandstofproject, vroegen ze zich af, "Wat als, zoals fotosynthese in de natuur, we zouden elektronen uit zonnecellen kunnen gebruiken om specifieke actieve plaatsen van een koperkatalysator aan te drijven om een ​​zuivere productstroom te maken van een op koolstof gebaseerde brandstof of chemische stof?", aldus Ager.

De oorsprong van een chemische stof traceren via zijn 'paspoort'

Eerdere studies hadden aangetoond dat "geoxideerd" of verroest koper een uitstekende katalysator is voor het maken van ethanol, ethyleen, en propanol. De onderzoekers theoretiseerden dat als actieve sites in koper eigenlijk productspecifiek waren, ze konden de oorsprong van de chemicaliën traceren via koolstofisotopen, "net als een paspoort met stempels die ons vertellen welke landen ze hebben bezocht, ' zei Ager.

"Toen we aan het experiment dachten, we dachten dat dit zo'n voor de hand liggend idee was, dat het gek zou zijn om het te proberen, "Ager zei. "Maar we konden het niet laten gaan, omdat we ook dachten dat het zou werken, omdat ons eerdere onderzoek met isotopen ons in staat had gesteld nieuwe reactieroutes te ontdekken."

Dus de komende maanden Lum en Ager voerden een reeks experimenten uit met twee isotopen van koolstof - koolstof-12 en koolstof-13 - als 'paspoortzegels'. Kooldioxide was gelabeld met koolstof-12, en koolmonoxide - een belangrijk tussenproduct bij de vorming van koolstof-koolstofbindingen - werd gelabeld met koolstof-13. Volgens hun methodiek de onderzoekers redeneerden dat de verhouding van koolstof-13 versus koolstof-12 - de "isotopische signatuur" - die in een product wordt gevonden, zou bepalen van welke actieve plaatsen het chemische product afkomstig is.

Nadat Lum tientallen experimenten had uitgevoerd en ultramoderne massaspectrometrie en NMR (nucleaire magnetische resonantie) spectroscopie bij JCAP had gebruikt om de resultaten te analyseren, ze ontdekten dat drie van de producten – ethyleen, ethanol, en propanol - hadden verschillende isotopensignaturen die aantoonden dat ze van verschillende plaatsen op de katalysator kwamen. "Deze ontdekking motiveert toekomstig werk om deze verschillende sites te isoleren en te identificeren, Lum zei. "Als we deze productspecifieke sites in één enkele katalysator stoppen, kan dit op een dag resulteren in een zeer efficiënte en selectieve generatie van chemische producten, ' zei Lum.

Groene dagen in het verschiet voor chemische productie

De nieuwe methodologie van de onderzoekers - wat Ager beschrijft als "eenvoudige chemie met een ecologische en economische draai" - is wat ze hopen een nieuw begin te kunnen zijn voor groene chemische productie waarbij een zonnecel elektronen naar specifieke actieve plaatsen in een koperen katalysator zou kunnen voeren om de productie van ethanolbrandstoffen optimaliseren.

"Misschien kan deze technologie het ooit mogelijk maken om zoiets als een olieraffinaderij te hebben, maar aangedreven door de zon, koolstofdioxide uit de atmosfeer halen en een stroom nuttige producten creëren, " hij zei.