Een onderzoeksteam van Caltech en de UCLA Samueli School of Engineering heeft een veelbelovende manier aangetoond om koolstofdioxide efficiënt om te zetten in ethyleen, een belangrijke chemische stof die wordt gebruikt om kunststoffen te produceren. oplosmiddelen, cosmetica en andere belangrijke producten wereldwijd.

De wetenschappers ontwikkelden koperdraden op nanoschaal met speciaal gevormde oppervlakken om een ​​chemische reactie te katalyseren die de uitstoot van broeikasgassen vermindert en tegelijkertijd ethyleen genereert - een waardevolle chemische stof. Computerstudies van de reactie tonen aan dat de gevormde katalysator de productie van ethyleen bevordert boven waterstof of methaan. Een studie over het voorschot werd gepubliceerd in Natuur Katalyse .

"We staan ​​op de rand van uitputting van fossiele brandstoffen, in combinatie met de wereldwijde uitdagingen op het gebied van klimaatverandering, " zei Yu Huang, de co-corresponderende auteur van de studie, en hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de UCLA. "Het ontwikkelen van materialen die broeikasgassen efficiënt kunnen omzetten in brandstoffen met toegevoegde waarde en chemische grondstoffen is een cruciale stap om de opwarming van de aarde tegen te gaan en tegelijkertijd af te zien van de winning van steeds schaarser wordende fossiele brandstoffen. Dit geïntegreerde experiment en deze theoretische analyse bieden een duurzame weg naar koolstofdioxide-upcycling en gebruik."

Momenteel, ethyleen heeft een wereldwijde jaarlijkse productie van 158 miljoen ton. Veel daarvan wordt omgezet in polyethyleen, die wordt gebruikt in plastic verpakkingen. Ethyleen wordt verwerkt uit koolwaterstoffen, zoals aardgas.

"Het idee om koper te gebruiken om deze reactie te katalyseren, bestaat al heel lang, maar de sleutel is om de snelheid te versnellen, zodat het snel genoeg is voor industriële productie, " zei William A. Goddard III, de co-corresponderende auteur van de studie en Caltech's Charles en Mary Ferkel hoogleraar scheikunde, Materiaal kunde, en Technische Natuurkunde. "Deze studie toont een solide pad naar dat doel, met het potentieel om de productie van ethyleen om te zetten in een groenere industrie met behulp van CO ₂ dat zou anders in de atmosfeer terechtkomen."

Koper gebruiken om de kooldioxide (CO .) op gang te brengen ₂ ) reductie tot ethyleenreactie (C ₂ H ₄ ) heeft er twee aanvallen op ondergaan. Eerst, de aanvankelijke chemische reactie produceerde ook waterstof en methaan - beide ongewenst bij industriële productie. Tweede, eerdere pogingen die resulteerden in de productie van ethyleen duurden niet lang, waarbij de conversie-efficiëntie afnam naarmate het systeem bleef draaien.

Om deze twee hindernissen te overwinnen, de onderzoekers concentreerden zich op het ontwerp van de koperen nanodraden met zeer actieve "stappen" - vergelijkbaar met een reeks trappen die op atomaire schaal zijn gerangschikt. Een intrigerende bevinding van deze gezamenlijke studie is dat dit stappenpatroon over de oppervlakken van de nanodraden stabiel bleef onder de reactieomstandigheden, in tegenstelling tot de algemene overtuiging dat deze hoogenergetische kenmerken zouden verdwijnen. Dit is de sleutel tot zowel de duurzaamheid als de selectiviteit van het systeem bij de productie van ethyleen, in plaats van andere eindproducten.

Het team toonde een conversie van koolstofdioxide naar ethyleen van meer dan 70%, veel efficiënter dan eerdere ontwerpen, die onder dezelfde omstandigheden minimaal 10% minder opleverde. Het nieuwe systeem heeft 200 uur gedraaid, met weinig verandering in conversie-efficiëntie, een belangrijke stap vooruit voor op koper gebaseerde katalysatoren. In aanvulling, het uitgebreide begrip van de structuur-functierelatie illustreerde een nieuw perspectief voor het ontwerpen van zeer actieve en duurzame CO ₂ reductiekatalysator in actie.

Huang en Goddard werken al vele jaren regelmatig samen, met de onderzoeksgroep van Goddard die zich concentreert op de theoretische redenen die ten grondslag liggen aan chemische reacties, terwijl de groep van Huang nieuwe materialen heeft gemaakt en experimenten heeft uitgevoerd. De hoofdauteur van het papier is Chungseok Choi, een afgestudeerde student in materiaalkunde en techniek aan UCLA Samueli en een lid van Huang's laboratorium.