Systemen voor het opvangen en omzetten van kooldioxide uit de uitstoot van elektriciteitscentrales kunnen belangrijke instrumenten zijn om de klimaatverandering in te dammen, maar de meeste zijn relatief inefficiënt en duur. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het MIT hebben een methode ontwikkeld die de prestaties van systemen die katalytische oppervlakken gebruiken om de snelheid van koolstof-sekwestrerende elektrochemische reacties te verhogen, aanzienlijk zou kunnen verbeteren.

Dergelijke katalytische systemen zijn een aantrekkelijke optie voor het afvangen van koolstof omdat ze nuttige, waardevolle producten, zoals transportbrandstoffen of chemische grondstoffen. Deze output kan helpen om het proces te subsidiëren, het compenseren van de kosten van het terugdringen van de uitstoot van broeikasgassen.

Bij deze systemen typisch gaat een gasstroom die kooldioxide bevat door water om kooldioxide af te geven voor de elektrochemische reactie. De beweging door water is traag, die de omzettingssnelheid van het kooldioxide vertraagt. Het nieuwe ontwerp zorgt ervoor dat de kooldioxidestroom geconcentreerd blijft in het water direct naast het katalysatoroppervlak. Deze concentratie, hebben de onderzoekers aangetoond, kan de prestaties van het systeem bijna verdubbelen.

De resultaten worden vandaag beschreven in het tijdschrift Celrapporten Fysische Wetenschap in een paper van MIT-postdoc Sami Khan Ph.D. '19, die nu assistent-professor is aan de Simon Fraser University, samen met MIT-hoogleraren werktuigbouwkunde Kripa Varanasi en Yang Shao-Horn, en recent afgestudeerde Jonathan Hwang Ph.D. '19.

"Het vastleggen van kooldioxide is de uitdaging van onze tijd, " zegt Varanasi. Er zijn een aantal benaderingen, inclusief geologische opslag, oceaan opslag, mineralisatie, en chemische omzetting. Als het gaat om nuttig maken, verkoopbare producten uit dit broeikasgas, elektrochemische conversie is bijzonder veelbelovend, maar het moet nog steeds worden verbeterd om economisch levensvatbaar te worden. "Het doel van ons werk was om te begrijpen wat het grote knelpunt is in dit proces, en om dat knelpunt te verbeteren of te verminderen, " hij zegt.

Het knelpunt bleek de levering van de kooldioxide aan het katalytische oppervlak te zijn die de gewenste chemische transformaties bevordert, vonden de onderzoekers. In deze elektrochemische systemen de stroom kooldioxidehoudende gassen wordt gemengd met water, hetzij onder druk, hetzij door het door een houder te laten borrelen die is uitgerust met elektroden van een katalysatormateriaal zoals koper. Vervolgens wordt een spanning aangelegd om chemische reacties te bevorderen die koolstofverbindingen produceren die kunnen worden omgezet in brandstoffen of andere producten.

Er zijn twee uitdagingen bij dergelijke systemen:de reactie kan zo snel verlopen dat de voorraad kooldioxide die de katalysator bereikt sneller opgebruikt dan dat deze kan worden aangevuld; en als dat gebeurt, een concurrerende reactie - de splitsing van water in waterstof en zuurstof - kan het overnemen en veel van de energie die in de reactie wordt gestopt, overnemen.

Eerdere pogingen om deze reacties te optimaliseren door de katalysatoroppervlakken te textureren om het oppervlak voor reacties te vergroten, hadden niet aan hun verwachtingen voldaan, omdat de kooldioxidetoevoer naar het oppervlak de verhoogde reactiesnelheid niet kon bijhouden, daardoor op termijn overschakelen op waterstofproductie.

De onderzoekers hebben deze problemen aangepakt door het gebruik van een gasaantrekkend oppervlak dat zich dicht bij het katalysatormateriaal bevindt. Dit materiaal is een speciaal getextureerd "gasfiel, " superhydrofoob materiaal dat water afstoot maar ervoor zorgt dat een gladde gaslaag, een plastron genaamd, dicht langs het oppervlak blijft. Het houdt de inkomende stroom van kooldioxide recht tegen de katalysator aan, zodat de gewenste omzettingsreacties van kooldioxide kunnen worden gemaximaliseerd. op kleurstof gebaseerde pH-indicatoren, de onderzoekers konden de gradiënten van de kooldioxideconcentratie in de testcel visualiseren en laten zien dat de verhoogde concentratie kooldioxide uit de plastron komt.

In een reeks laboratoriumexperimenten met deze opstelling, de snelheid van de koolstofomzettingsreactie verdubbelde bijna. Het werd ook in de loop van de tijd volgehouden, terwijl in eerdere experimenten de reactie snel vervaagde. Het systeem produceerde hoge hoeveelheden ethyleen, propanol, en ethanol - een potentiële autobrandstof. In de tussentijd, de concurrerende waterstof evolutie werd sterk ingeperkt. Hoewel het nieuwe werk het mogelijk maakt om het systeem te finetunen om de gewenste mix van producten te produceren, in sommige toepassingen, optimaliseren voor waterstofproductie als brandstof zou het gewenste resultaat kunnen zijn, wat ook kan.

"De belangrijke maatstaf is selectiviteit, "Kan zegt, verwijzend naar het vermogen om waardevolle verbindingen te genereren die worden geproduceerd door een bepaalde mix van materialen, texturen, en spanningen, en om de configuratie aan te passen aan de gewenste output.

Door de kooldioxide naast het katalysatoroppervlak te concentreren, het nieuwe systeem produceerde ook twee nieuwe potentieel bruikbare koolstofverbindingen, aceton, en acetaat, die niet eerder in dergelijke elektrochemische systemen met aanzienlijke snelheden waren gedetecteerd.

In dit eerste laboratoriumwerk, een enkele strook van de hydrofobe, gasaantrekkend materiaal werd naast een enkele koperelektrode geplaatst, maar in toekomstig werk zou een praktisch apparaat kunnen worden gemaakt met behulp van een dichte reeks doorschoten paren platen, Varanasi suggereert.

Vergeleken met eerder werk over elektrochemische koolstofreductie met nanostructuurkatalysatoren, Varanasi zegt, "we doen het aanzienlijk beter dan ze allemaal, want ook al is het dezelfde katalysator, het is hoe we de koolstofdioxide leveren die het spel verandert."