Onderzoekers van U of T Engineering en Caltech hebben een nieuw en verbeterd systeem ontworpen voor het efficiënt omzetten van CO2, water, en hernieuwbare energie in ethyleen, de voorloper van een breed scala aan plastic producten, van medische hulpmiddelen tot synthetische stoffen - onder neutrale omstandigheden. Het apparaat heeft het potentieel om een ​​koolstofneutrale weg naar een veelgebruikte chemische stof te bieden, terwijl het de opslag van afvalkoolstof en overtollige hernieuwbare energie verbetert.

"CO2 heeft een lage economische waarde, wat de prikkel vermindert om het te vangen voordat het in de atmosfeer komt, " zegt professor Ted Sargent, de U of T Engineering leidt het project. "Het omzetten in ethyleen, een van de meest gebruikte industriële chemicaliën ter wereld, verandert de economie. Hernieuwbaar ethyleen biedt een manier om de fossiele brandstoffen die momenteel de primaire grondstof voor deze chemische stof zijn, te verdringen."

Vorig jaar, Sargent en zijn team publiceerden een paper in Science waarin ze beschrijven hoe ze een elektrolyseapparaat gebruikten - een apparaat dat elektriciteit gebruikt om een ​​chemische reactie aan te drijven - om CO2 met recordefficiëntie om te zetten in ethyleen. In dit systeem, de drie reactanten, CO2-gas, water en elektriciteit, komen allemaal samen op het oppervlak van een op koper gebaseerde katalysator.

Hoewel het apparaat een doorbraak was voor het team, er was nog ruimte voor verbetering. De laatste versie, beschreven in een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur , modificeert de katalysator verder om de prestaties van het systeem te verbeteren en de bedrijfskosten te verlagen.

"Een van de uitdagingen bij deze reactie is dat terwijl een deel van de CO2 wordt omgezet in ethyleen, het meeste verandert in bijproducten, vooral carbonaat, die oplost aan de vloeistofzijde van de elektrolyseur, " zegt postdoctoraal fellow Fengwang Li, hoofdauteur van het nieuwe artikel. "Dit ongewenste verlies verhoogt de kosten van de daaropvolgende productscheiding en -zuivering."

In het laatste werk, Het team van Sargent werkte samen met Caltech-hoogleraren chemie Jonas C. Peters en Theodor Agapie. Hun gepubliceerde onderzoek naar een klasse moleculen die bekend staat als arylpyridiniums, suggereerde dat toevoeging aan de katalysator de productie van ethyleen ten opzichte van andere bijproducten zou kunnen bevorderen.

Met behulp van theoretische berekeningen en experimenten, de twee teams doorzochten meer dan een dozijn verschillende soorten arylpyridiniums voordat ze er een selecteerden. Zowaar, het toevoegen van een dunne laag van dit molecuul aan het oppervlak van de koperkatalysator verhoogde de selectiviteit van de reactie voor ethyleen aanzienlijk. Het leidde ook tot een ander voordeel:het verlagen van de pH van de werkreactie van basisch naar neutraal.

"Het vorige systeem vereiste dat de waterkant van de reactie een hoge pH had, zeer basale voorwaarden, " zegt Li. "Maar de reactie van de CO2 met bijtende soda in het water verlaagt de pH, dus we zouden continu chemicaliën moeten toevoegen om de pH op peil te houden. Het nieuwe systeem werkt net zo goed onder neutrale omstandigheden, zodat we die extra kosten kunnen elimineren, evenals verlies van CO2 in de vorm van carbonaat."

De verbeterde katalysator ging ook langer mee dan de vorige versie, stabiel blijven voor bijna 200 bedrijfsuren. Een andere verbetering – het vergroten van het oppervlak van de katalysator met een factor vijf – gaf de teams een idee van de uitdagingen die moeten worden overwonnen om de productie op te schalen naar industriële niveaus.

Hoewel het prototype nog ver verwijderd is van commercialisering, het algemene concept biedt een veelbelovende manier om verschillende belangrijke uitdagingen op het gebied van duurzaamheid aan te pakken. Het elimineert de noodzaak om meer olie te winnen om plastic en andere consumptiegoederen te maken op basis van ethyleen, en het verandert afval-CO2 in een grondstof, het toevoegen van een nieuwe stimulans om te investeren in het afvangen van koolstof.

Li wijst er ook op dat een dergelijk systeem kan worden aangedreven door intermitterende hernieuwbare bronnen, zoals wind- of zonne-energie. Momenteel, er is vaak een mismatch tussen de hoeveelheid elektriciteit die door deze systemen wordt geproduceerd en de vraag van de consument. Door overtollige elektriciteit op te slaan in de vorm van ethyleen, het systeem biedt een manier om die pieken en dalen glad te strijken.

"Het mooie van dit CO2-naar-ethyleenconversiesysteem is dat je niet hoeft te kiezen tussen het opvangen en recyclen van CO2-emissies of proberen te voorkomen dat ze zich voordoen door de gebruikte fossiele brandstoffen te verdringen, "zegt Li. "We kunnen beide tegelijk doen."