Stel je voor dat je koolstofdioxide uit uitlaatpijpen van auto's en andere bronnen haalt en dit belangrijkste broeikasgas omzet in brandstoffen zoals aardgas of propaan:een duurzaamheidsdroom die uitkomt.

Verschillende recente studies hebben enig succes aangetoond bij deze conversie, maar een nieuwe benadering van ingenieurs van Stanford University levert vier keer meer ethaan op, propaan en butaan dan bestaande methoden die vergelijkbare processen gebruiken. Hoewel het geen wondermiddel voor het klimaat is, de vooruitgang zou de impact op de korte termijn op de opwarming van de aarde aanzienlijk kunnen verminderen.

"Je kunt je een koolstofneutrale cyclus voorstellen die brandstof produceert uit koolstofdioxide en deze vervolgens verbrandt, het creëren van nieuwe koolstofdioxide die vervolgens weer wordt omgezet in brandstof, " zei Matteo Cargnello, een assistent-professor chemische technologie aan Stanford die het onderzoek leidde, gepubliceerd in Angewandte Chemie .

Hoewel het proces nog steeds slechts een laboratoriumgebaseerd prototype is, de onderzoekers verwachten dat het voldoende kan worden uitgebreid om bruikbare hoeveelheden brandstof te produceren. Veel werk blijft, echter, voordat de gemiddelde consument producten kan kopen die op dergelijke technologieën zijn gebaseerd. Volgende stappen zijn onder meer proberen de schadelijke bijproducten van deze reacties te verminderen, zoals de giftige verontreinigende stof koolmonoxide. De groep ontwikkelt ook manieren om andere heilzame producten te maken, niet alleen brandstoffen. Een dergelijk product is olefinen, die in een aantal industriële toepassingen kunnen worden gebruikt en de hoofdingrediënten zijn voor kunststoffen.

Twee stappen in één

Eerdere pogingen om CO . om te zetten ₂ om brandstof te voorzien, was een proces in twee stappen. De eerste stap vermindert CO ₂ aan koolmonoxide, dan combineert de tweede de CO met waterstof om koolwaterstofbrandstoffen te maken. De eenvoudigste van deze brandstoffen is methaan, maar andere brandstoffen die kunnen worden geproduceerd, zijn ethaan, propaan en butaan. Ethaan is een nauwe verwant van aardgas en kan industrieel worden gebruikt om ethyleen te maken, een voorloper van plastic. Propaan wordt vaak gebruikt om huizen te verwarmen en gasgrills van stroom te voorzien. Butaan is een veel voorkomende brandstof in aanstekers en kooktoestellen.

Cargnello dacht dat het veel efficiënter zou zijn om beide stappen in één reactie uit te voeren. en begon met het creëren van een nieuwe katalysator die tegelijkertijd een zuurstofmolecuul van CO . zou kunnen strippen ₂ en combineer het met waterstof. (Katalysatoren induceren chemische reacties zonder zelf verbruikt te worden in de reactie.) Het team slaagde erin ruthenium en ijzeroxide nanodeeltjes te combineren tot een katalysator.

"Deze klomp ruthenium zit in de kern en is ingekapseld in een buitenste omhulsel van ijzer, " zei Aisulu Aitbekova, een promovendus in het laboratorium van Cargnello en hoofdauteur van het artikel. "Deze structuur activeert koolwaterstofvorming uit CO ₂ . Het verbetert het proces van begin tot eind."

Het team was niet van plan om deze core-shell-structuur te creëren, maar ontdekte het door samenwerking met Simon Bare, voorname stafwetenschapper, en anderen bij het SLAC National Accelerator Laboratory. De geavanceerde röntgenkarakteriseringstechnologieën van SLAC hielpen de onderzoekers de structuur van hun nieuwe katalysator te visualiseren en te onderzoeken. Zonder deze samenwerking Cargnello zei dat ze de optimale structuur niet zouden hebben ontdekt.

"Toen begonnen we dit materiaal rechtstreeks in een core-shell-configuratie te engineeren. Toen lieten we zien dat als we dat eenmaal doen, koolwaterstofopbrengsten enorm verbeteren, "Zei Cargnello. "Het is specifiek iets met de structuur dat de reacties helpt."

Cargnello denkt dat de twee katalysatoren als tag-team werken om de synthese te verbeteren. Hij vermoedt dat het ruthenium waterstof chemisch klaar maakt om zich te binden met de koolstof uit CO ₂ . De waterstof morst vervolgens op de ijzeren schaal, waardoor de kooldioxide reactiever wordt.

Toen de groep hun katalysator in het laboratorium testte, vonden ze dat de opbrengst voor brandstoffen zoals ethaan, propaan en butaan was veel hoger dan hun vorige katalysator. Echter, de groep staat nog voor een aantal uitdagingen. Ze willen het gebruik van edele metalen zoals ruthenium, en de katalysator optimaliseren zodat deze selectief alleen specifieke brandstoffen kan maken.