Katalysatoren versnellen chemische reacties en vormen de ruggengraat van veel industriële processen. Bijvoorbeeld, ze zijn essentieel bij het omzetten van zware olie in benzine of vliegtuigbrandstof. Vandaag, katalysatoren zijn betrokken bij meer dan 80 procent van alle vervaardigde producten.

Een onderzoeksteam, geleid door het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in samenwerking met de Northern Illinois University, heeft een nieuwe elektrokatalysator ontdekt die koolstofdioxide (CO ₂ ) en water tot ethanol met een zeer hoge energie-efficiëntie, hoge selectiviteit voor het gewenste eindproduct en lage kosten. Ethanol is een bijzonder gewilde grondstof omdat het een ingrediënt is in bijna alle Amerikaanse benzine en veel wordt gebruikt als tussenproduct in de chemische, farmaceutische en cosmetische industrie.

"Het proces dat voortkomt uit onze katalysator zou bijdragen aan de circulaire koolstofeconomie, die het hergebruik van koolstofdioxide inhoudt, " zei Di-Jia Liu, senior chemicus in de afdeling Chemische Wetenschappen en Engineering van Argonne en een UChicago CASE-wetenschapper in de Pritzker School of Molecular Engineering, Universiteit van Chicago. Dit proces zou dit doen door de CO . elektrochemisch om te zetten ₂ uitgestoten door industriële processen, zoals elektriciteitscentrales op fossiele brandstoffen of alcoholvergistingsinstallaties, in waardevolle goederen tegen redelijke kosten.

De katalysator van het team bestaat uit atomair gedispergeerd koper op een koolstofpoederdrager. Door een elektrochemische reactie, deze katalysator breekt CO . af ₂ en watermoleculen en assembleert selectief de gebroken moleculen in ethanol onder een extern elektrisch veld. De elektrokatalytische selectiviteit, of "Faradaïsche efficiëntie, " van het proces is meer dan 90 procent, veel hoger dan enig ander gerapporteerd proces. Wat is meer, de katalysator werkt stabiel bij langdurig bedrijf bij lage spanning.

“Met dit onderzoek we hebben een nieuw katalytisch mechanisme ontdekt om koolstofdioxide en water om te zetten in ethanol, " zei Tao Xu, een professor in fysische chemie en nanotechnologie van de Northern Illinois University. "Het mechanisme moet ook een basis vormen voor de ontwikkeling van zeer efficiënte elektrokatalysatoren voor de omzetting van kooldioxide in een breed scala aan chemicaliën met toegevoegde waarde."

Omdat CO ₂ is een stabiel molecuul, het omzetten in een ander molecuul is normaal gesproken energie-intensief en kostbaar. Echter, volgens Liu, "We zouden het elektrochemische proces van CO . kunnen koppelen ₂ -conversie naar ethanol met behulp van onze katalysator naar het elektriciteitsnet en profiteer van de goedkope elektriciteit die beschikbaar is uit hernieuwbare bronnen zoals zon en wind tijdens de daluren." Omdat het proces bij lage temperatuur en druk verloopt, het kan snel starten en stoppen als reactie op de intermitterende levering van de hernieuwbare elektriciteit.

Het onderzoek van het team profiteerde van twee DOE Office of Science User Facilities in Argonne - de Advanced Photon Source (APS) en Center for Nanoscale Materials (CNM) - evenals Argonne's Laboratory Computing Resource Center (LCRC). "Dankzij de hoge fotonenflux van de röntgenstralen bij het APS, we hebben de structurele veranderingen van de katalysator tijdens de elektrochemische reactie vastgelegd, ' zei Tao Li, een assistent-professor bij de afdeling Scheikunde en Biochemie aan de Northern Illinois University en een assistent-wetenschapper bij de afdeling X-ray Science van Argonne. Deze gegevens, samen met elektronenmicroscopie met hoge resolutie bij CNM en computationele modellering met behulp van de LCRC, onthulden een omkeerbare transformatie van atomair gedispergeerd koper naar clusters van drie koperatomen elk bij toepassing van een lage spanning. de CO ₂ -naar-ethanol katalyse vindt plaats op deze kleine koperclusters. Deze bevinding werpt licht op manieren om de katalysator verder te verbeteren door middel van een rationeel ontwerp.

"We hebben verschillende nieuwe katalysatoren gemaakt met behulp van deze aanpak en hebben ontdekt dat ze allemaal zeer efficiënt zijn in het omzetten van CO ₂ aan andere koolwaterstoffen, " zei Liu. "We zijn van plan om dit onderzoek voort te zetten in samenwerking met de industrie om deze veelbelovende technologie vooruit te helpen."