Een groeiend aantal wetenschappers is op zoek naar snelle, kosteneffectieve manieren om kooldioxidegas om te zetten in waardevolle chemicaliën en brandstoffen.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuwe aanpak onthuld die gebruik maakt van een reeks katalytische reacties om koolstofdioxide elektrochemisch te reduceren tot methaan, het hoofdbestanddeel van aardgas, het elimineren van een tussenstap die gewoonlijk nodig is in het reductieproces.

"We willen duurzame elektriciteit leveren en koolstofdioxide uit de atmosfeer halen en in één stap omzetten in iets anders, " zei Bingjun Xu, een universitair docent chemische en biomoleculaire engineering aan de Universiteit van Delaware. "Dit is een belangrijke bijdrage aan deze visie."

De resultaten van het team zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie op 26 juli, 2019. Twee van de auteurs van het onderzoek zijn gevestigd bij UD:Xu en postdoctoraal medewerker Xiaoxia Chang. Een andere studie auteur, Qi Lu van de Tsinghua-universiteit in China, was voorheen een postdoctoraal medewerker bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de UD.

Tot de auteurs van het artikel behoren ook Haochen Zhang van de Tsinghua University, Jingguang Chen van de Columbia University, William Goddard III van het California Institute of Technology en Mu-Jeng Cheng van de National Cheng Kung University in Taiwan.

Een eenpans systeem

Om koolstofdioxide om te zetten in waardevolle brandstoffen, je moet beginnen met een oppervlak van koper, het metaal dat bekend staat om zijn gebruik in centen en elektrische bedrading. Koper kan worden gebruikt om kooldioxide om te zetten in koolmonoxide, die vervolgens verder kunnen worden omgezet in stoffen zoals methaan. Dit proces is relatief eenvoudig, maar het vereist twee reactoren en kostbare scheidings- en zuiveringsstappen.

Het onderzoeksteam gebruikte berekeningen en experimenten om een ​​katalysesysteem met één pot te ontwerpen. Voeg kooldioxide toe, en een reeks chemische reacties zal plaatsvinden zonder de noodzaak om te stoppen en meer chemicaliën toe te voegen.

Om dit te doen, het team voegde speciale nanogestructureerde zilveren oppervlakken toe, die zijn ontwikkeld door Lu toen hij van 2012 tot 2015 postdoctoraal medewerker was bij UD naar de koperen oppervlakken. Het zilvergedeelte trekt koolmonoxidemoleculen aan, die vervolgens migreren naar het kopergedeelte en reduceren tot methaan. Het systeem levert een hogere concentratie methaan op dan systemen met alleen koper.

"In dit werk is de belangrijkste nieuwigheid om deze twee in een configuratie te combineren, zodat verschillende reactiestappen in één systeem kunnen plaatsvinden, " zei Xu. "We hebben de compositie systematisch aangepast, de verhouding zilver tot koper in de structuur. Die zijn de sleutel tot de selectiviteit en het vermogen om de reacties te combineren."

Eerdere pogingen om koper op deze manier te combineren met edelmetaal zijn mislukt, maar de groep ontwikkelde een speciaal type elektrodestructuur die het systeem mogelijk maakte. Het onderzoek was het resultaat van een samenwerking met onderzoeksgroepen die bijdragen aan spectroscopie, berekening, en studies van de reactiviteit van materialen.