Als het idee van vliegen met op batterijen aangedreven commerciële jets je nerveus maakt, je kunt een beetje ontspannen. Onderzoekers hebben een praktisch startpunt gevonden om kooldioxide om te zetten in duurzame vloeibare brandstoffen, met inbegrip van brandstoffen voor zwaardere vervoerswijzen die zeer moeilijk te elektrificeren kunnen blijken te zijn, zoals vliegtuigen, schepen en goederentreinen.

CO2-neutraal hergebruik van CO ₂ is naar voren gekomen als een alternatief voor het onder de grond begraven van het broeikasgas. In een nieuwe studie die vandaag is gepubliceerd in Natuur Energie , onderzoekers van Stanford University en de Technical University of Denmark (DTU) laten zien hoe elektriciteit en een aardrijke katalysator CO kunnen omzetten ₂ beter om te zetten in energierijk koolmonoxide (CO) dan conventionele methoden. De katalysator - ceriumoxide - is veel beter bestand tegen afbraak. Zuurstof uit CO . halen ₂ CO-gas maken is de eerste stap in het omzetten van CO ₂ in bijna elke vloeibare brandstof en andere producten, zoals synthetisch gas en kunststoffen. De toevoeging van waterstof aan CO kan brandstoffen produceren zoals synthetische diesel en het equivalent van vliegtuigbrandstof. Het team voorziet het gebruik van hernieuwbare energie om de CO te maken en voor daaropvolgende conversies, wat zou resulteren in CO2-neutrale producten.

"We hebben laten zien dat we elektriciteit kunnen gebruiken om CO . te verminderen ₂ in CO met 100 procent selectiviteit en zonder het ongewenste bijproduct van vaste koolstof te produceren, " zei William Chueh, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan Stanford, een van de drie senior auteurs van het artikel.

Chueh, op de hoogte van het onderzoek van DTU op dit gebied, uitgenodigd Christopher Graves, universitair hoofddocent bij de afdeling Energieconversie &Opslag van DTU, en Theis Skafte, destijds een DTU-promovendus, om naar Stanford te komen en samen aan de technologie te werken.

"We hadden gewerkt aan hoge temperatuur CO ₂ elektrolyse voor jaren, maar de samenwerking met Stanford was de sleutel tot deze doorbraak, " zei Skafte, hoofdauteur van de studie, die nu postdoctoraal onderzoeker is bij DTU. "We hebben iets bereikt dat we afzonderlijk niet zouden kunnen hebben - zowel fundamenteel begrip als praktische demonstratie van een robuuster materiaal."

Belemmeringen voor conversie

Een voordeel van duurzame vloeibare brandstoffen ten opzichte van de elektrificatie van transport is dat ze gebruik kunnen maken van de bestaande benzine- en dieselinfrastructuur, zoals motoren, pijpleidingen en benzinestations. Aanvullend, de belemmeringen voor het elektrificeren van vliegtuigen en schepen - lange afstanden en het hoge gewicht van batterijen - zouden geen problemen opleveren voor energierijke, koolstofneutrale brandstoffen.

Hoewel planten CO . verminderen ₂ natuurlijke koolstofrijke suikers, een kunstmatige elektrochemische route naar CO moet nog op grote schaal worden gecommercialiseerd. Een van de problemen:apparaten verbruiken te veel elektriciteit, zet een laag percentage CO . om ₂ moleculen, of pure koolstof produceren die het apparaat vernietigt. Onderzoekers in de nieuwe studie onderzochten eerst hoe verschillende apparaten slaagden en faalden in CO ₂ elektrolyse.

Met verkregen inzichten, de onderzoekers bouwden twee cellen voor CO ₂ conversietesten:één met ceriumoxide en de andere met conventionele katalysatoren op nikkelbasis. De ceria-elektrode bleef stabiel, terwijl koolstofafzettingen de nikkelelektrode beschadigden, waardoor de levensduur van de katalysator aanzienlijk wordt verkort.

"Dit opmerkelijke vermogen van ceria heeft grote implicaties voor de praktische levensduur van CO ₂ elektrolyseapparaten, " zei DTU's Graves, een senior auteur van de studie en destijds gastwetenschapper aan Stanford. "Het vervangen van de huidige nikkelelektrode door onze nieuwe ceria-elektrode in de volgende generatie elektrolyseur zou de levensduur van het apparaat verbeteren."

Weg naar commercialisering

Het elimineren van vroege celdood zou de kosten van commerciële CO-productie aanzienlijk kunnen verlagen. Door de onderdrukking van koolstofophoping kan het nieuwe type apparaat ook meer CO . omzetten ₂ naar CO, die beperkt is tot ruim onder de 50 procent CO-productconcentratie in de cellen van vandaag. Dit kan ook de productiekosten verlagen.

"Het koolstofonderdrukkingsmechanisme op ceria is gebaseerd op het vangen van de koolstof in stabiele geoxideerde vorm. We konden dit gedrag verklaren met computermodellen van CO ₂ reductie bij verhoogde temperatuur, wat vervolgens werd bevestigd met röntgenfoto-elektronenspectroscopie van de cel in werking, " zei Michal Bajdich, een senior auteur van de paper en een associate staff scientist bij het SUNCAT Center for Interface Science &Catalysis, een samenwerking tussen het SLAC National Accelerator Laboratory en Stanford's School of Engineering.

De hoge kosten van het afvangen van CO ₂ een barrière is geweest om het op grote schaal ondergronds op te slaan, en dat hoge kosten een belemmering kunnen zijn voor het gebruik van CO ₂ duurzamere brandstoffen en chemicaliën te maken. Echter, de marktwaarde van die producten in combinatie met betalingen om de CO2-uitstoot te vermijden, zou technologieën die CO . gebruiken kunnen helpen ₂ sneller over de kostendrempel heen.

De onderzoekers hopen dat hun eerste werk aan het onthullen van de mechanismen in CO ₂ elektrolyse-apparaten door spectroscopie en modellering zullen anderen helpen bij het afstemmen van de oppervlakte-eigenschappen van ceria en andere oxiden om de CO verder te verbeteren ₂ elektrolyse.