Brandstofcellen zetten chemicaliën om in elektriciteit. Nutsvoorzieningen, een ingenieursteam van de Universiteit van Toronto heeft technologie van brandstofcellen aangepast om het omgekeerde te doen:gebruik elektriciteit om waardevolle chemicaliën te maken uit afvalkoolstof (CO ₂ ).

"Al decenia, getalenteerde onderzoekers hebben systemen ontwikkeld die elektriciteit omzetten in waterstof en weer terug, " zegt professor Ted Sargent, een van de senior auteurs van het artikel gepubliceerd in Wetenschap . "Onze innovatie bouwt voort op die erfenis, maar door gebruik te maken van op koolstof gebaseerde moleculen, we kunnen direct aansluiten op bestaande koolwaterstofinfrastructuur."

In een waterstofbrandstofcel waterstof en zuurstof komen samen op het oppervlak van een katalysator. Bij de chemische reactie komen elektronen vrij, die worden opgevangen door gespecialiseerde materialen in de brandstofcel en in een circuit worden gepompt.

Het tegenovergestelde van een brandstofcel is een electolyzer, die elektriciteit gebruikt om een ​​chemische reactie aan te drijven. De auteurs van het artikel zijn experts in het ontwerpen van elektrolysers die CO . omzetten ₂ in andere op koolstof gebaseerde moleculen, zoals ethyleen. Het team omvat Ph.D. kandidaat Adnan Ozden, die wordt begeleid door professor David Sinton, evenals verschillende leden van het team van Sargent, inclusief Ph.D. kandidaat Joshua Wicks, postdoctoraal onderzoeker F. Pelayo García de Arquer en voormalig postdoctoraal onderzoeker Cao-Thang Dinh.

"Ethyleen is een van de meest geproduceerde chemicaliën ter wereld, ", zegt Wicks. "Het wordt gebruikt om alles te maken, van antivries tot tuinmeubilair. Tegenwoordig wordt het gewonnen uit fossiele brandstoffen, maar als we het in plaats daarvan zouden kunnen maken door afval CO . te upgraden ₂ , het zou een nieuwe economische stimulans zijn voor het vastleggen van koolstof."

De huidige elektrolyzers produceren ethyleen nog niet op een schaal die groot genoeg is om te concurreren met wat wordt gewonnen uit fossiele brandstoffen. Een deel van de uitdaging ligt in de unieke aard van de chemische reactie die CO . transformeert ₂ in ethyleen en andere op koolstof gebaseerde moleculen.

"De reactie vereist drie dingen:CO ₂ , wat een gas is; waterstof ionen, die uit vloeibaar water komen; en elektronen, die door een metaalkatalysator worden overgebracht, ", zegt Ozden. "Die drie verschillende fasen brengen, vooral de CO ₂ -Samen snel is uitdagend, en dat is wat de reactiesnelheid heeft beperkt."

In hun nieuwste elektrolyse-ontwerp, het team gebruikte een unieke opstelling van materialen om de uitdagingen van het samenbrengen van de reactanten te overwinnen. Elektronen worden geleverd met behulp van een op koper gebaseerde katalysator die het team eerder had ontwikkeld. Maar in plaats van een platte metalen plaat, de katalysator in de nieuwe elektrolyseur heeft de vorm van kleine deeltjes die zijn ingebed in een laag van een materiaal dat bekend staat als Nafion.

Nafion is een ionomeer - een polymeer dat geladen deeltjes, ook wel ionen genoemd, kan geleiden. Vandaag, het wordt vaak gebruikt in brandstofcellen, waar het zijn rol is om positief geladen waterstof (H+) ionen rond te transporteren in de reactor.

"Bij onze experimenten we ontdekten dat een bepaalde opstelling van Nafion het transport van gassen zoals CO . kan vergemakkelijken ₂ , " zegt García de Arquer. "Ons ontwerp stelt gasreactanten in staat om het katalysatoroppervlak snel genoeg en voldoende verdeeld te bereiken om de reactiesnelheid aanzienlijk te verhogen."

Nu de reactie niet langer wordt beperkt door hoe snel de drie reactanten kunnen samenkomen, het team was in staat om CO . te transformeren ₂ in ethyleen en andere producten 10 keer sneller dan voorheen. Ze bereikten dit zonder de algehele efficiëntie van de reactor te verminderen, wat betekent meer product voor ongeveer dezelfde kapitaalkosten.

Ondanks de opmars, het apparaat is nog ver verwijderd van commerciële levensvatbaarheid. Een van de grootste resterende uitdagingen heeft te maken met de stabiliteit van de katalysator onder de nieuwe hogere stroomdichtheden.

"We kunnen elektronen 10 keer sneller naar binnen pompen, wat geweldig is, maar we kunnen het systeem maar ongeveer tien uur laten werken voordat de katalysatorlaag kapot gaat, ", zegt Dinh. "Dit is nog verre van het doel van duizenden uren die nodig zijn voor industriële toepassing."

Dinh, die nu hoogleraar chemische technologie is aan de Queen's University, zet het werk voort door te kijken naar nieuwe strategieën voor het stabiliseren van de katalysatorlaag, zoals het verder wijzigen van de chemische structuur van de Nafion of het toevoegen van extra lagen om het te beschermen.

De andere teamleden zijn van plan om aan verschillende uitdagingen te werken, zoals het optimaliseren van de katalysator om andere commercieel waardevolle producten dan ethyleen te produceren.

"We hebben ethyleen als voorbeeld genomen, maar de principes hier kunnen worden toegepast op de synthese van andere waardevolle chemicaliën, inclusief ethanol", zegt Wicks. "Naast de vele industriële toepassingen, ethanol wordt ook veel gebruikt als brandstof."

Het vermogen om brandstoffen te produceren, CO2-neutrale bouwmaterialen en andere producten is een belangrijke stap om onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen.

"Zelfs als we stoppen met het gebruik van olie voor energie, we zullen nog steeds al deze moleculen nodig hebben, ", zegt García de Arquer. "Als we ze kunnen produceren met behulp van CO .-afval ₂ en hernieuwbare energie, we kunnen een grote impact hebben op het koolstofarm maken van onze economie."