Onderzoekers van de Universiteit van Toronto Engineering hebben een verbeterd elektrochemisch systeem ontwikkeld dat de waarde van afgevangen CO . verhoogt ₂ door er meer van om te zetten in waardevolle producten dan ooit tevoren.

Het Internationaal Energie Agentschap noemde onlangs koolstofafvang en -opslag als een van de strategieën die kunnen helpen de wereldwijde uitstoot laag genoeg te houden om de opwarming van de aarde tegen 2050 te beperken tot 1,5 C. Maar vastgelegde koolstof heeft momenteel weinig economische waarde, het verminderen van de prikkel voor bedrijven om in deze technologie te investeren.

Een ingenieursteam van de Universiteit van Toronto onder leiding van professor Ted Sargent gaat deze uitdaging aan door geavanceerde elektrolysers te ontwerpen die elektriciteit gebruiken om opgevangen CO ₂ in de petrochemische bouwstenen van alledaagse materialen, van kunststof tot lycra. Dit helpt bij het creëren van een markt voor afgevangen koolstof, terwijl het ook een koolstofarm alternatief biedt voor de op fossiele brandstoffen gebaseerde productieprocessen die tegenwoordig worden gebruikt.

In tegenstelling tot eerdere systemen, het nieuwste ontwerp van het team kan onder sterk zure omstandigheden worden gebruikt, wat ongewenste nevenreacties vermindert en de algehele efficiëntie verbetert.

"In eerdere systemen je moest kiezen of je je wilde richten op efficiënt gebruik van elektriciteit, of efficiënt gebruik van koolstof, " zegt Sargent, senior auteur van een nieuw artikel dat vandaag is gepubliceerd in Wetenschap . "Ons team gebruikte een nieuw katalysatorontwerp in de elektrolyseur om een ​​groot deel van de inputkoolstof te verbruiken, met behoud van een goede productiviteit naar gewenste hoogwaardige producten."

In de elektrolyse, gevangen CO ₂ wordt opgelost in een vloeibaar elektrolyt, die over de vaste katalysator stroomt waardoor de elektriciteit wordt geleverd.

"Wat we willen is voor de opgeloste CO ₂ in de reactor om elektronen te absorberen en omgezet te worden in ethyleen en andere producten, " zegt promovendus Jianan Erick Huang, een van de drie co-hoofdauteurs van het nieuwe artikel, samen met collega Ph.D. kandidaat Adnan Ozden en postdoctoraal fellow Fengwang Li, die nu soortgelijk onderzoek voortzet aan de Universiteit van Sydney.

"Maar, in eerdere rapporten die werkten bij een hoge pH - dat wil zeggen alkalische of neutrale omstandigheden - de meeste CO ₂ wordt verspild, omdat het in plaats daarvan wordt omgezet in carbonaat."

Huang zegt dat hoewel het carbonaat kan worden geëxtraheerd, omgezet in CO ₂ en teruggevoerd naar de elektrolyse, dit is energetisch kostbaar. Uit de berekeningen van het team blijkt dat meer dan de helft van de energie die door het totale systeem wordt verbruikt, op deze manier zou worden besteed aan het recyclen van het carbonaat.

De elektrolyseur laten draaien onder een lage pH, of zure omstandigheden, voorkomt de vorming van carbonaat, maar het introduceert een ander probleem:nu is de gunstiger reactie waterstofontwikkeling. Dit betekent dat waterstofionen (d.w.z. protonen) in de zure oplossing elektronen absorberen en worden omgezet in waterstofgas, waardoor er weinig elektronen beschikbaar zijn om te combineren met CO ₂ .

Huang en het team hebben dit probleem aangepakt door twee strategieën in combinatie te gebruiken. Eerst, onder zure omstandigheden, ze verhoogden de stroomdichtheid, de reactor overspoelen met elektronen. Waterstofionen stormden naar binnen om ermee te reageren, maar ze kwamen vast te zitten in een moleculaire verkeersopstopping - de technische term is massatransportbeperking.

"In werkelijkheid, we creëren een reactor die overal zuur is, behalve een minuscuul laagje binnen minder dan 50 micrometer van het katalysatoroppervlak, ", zegt Huang. "In die specifieke regio, het is niet zuur, in feite is het licht alkalisch. Daar, CO ₂ kan door die elektronen worden gereduceerd tot ethyleen."

De volgende stap was het toevoegen van een positief geladen ion, in dit geval kalium, naar de reactie. Hierdoor ontstond een elektrisch veld in de buurt van de katalysator waardoor het makkelijker werd voor CO ₂ adsorberen aan het oppervlak, waardoor het een voorsprong heeft in de concurrentie met waterstof.

De twee veranderingen maakten een groot verschil. Eerdere systemen gebruikten doorgaans minder dan 15% van de beschikbare koolstof, de rest verliezen aan carbonaat. Het nieuwe systeem gebruikt ongeveer 77% van de beschikbare koolstof, waarbij meer dan 50% wordt omgezet in multi-koolstofproducten zoals ethyleen en ethanol. (De overige 27% gaat naar single-carbon producten zoals koolmonoxide en mierenzuur.)

"Deze doorbraak helpt de weg vrij te maken voor een economisch levensvatbare toekomst voor CO ₂ benutting zelfs bij hoge CO ₂ kosten vastleggen vandaag, " zegt dr. Philip Llewellyn, Carbon Capture and Utilization (CCUS) Manager voor TOTAL SE, die het onderzoek financieel ondersteunden. "Als je verder kijkt naar de verwachte verhogingen van de CO2-belasting die nodig zijn om de wereldwijde klimaatdoelstellingen te halen, dit betekent een aanzienlijke versnelling van de time-to-market en time-to-climate impact voor CO ₂ elektrolyse."

Er moeten nog hordes worden genomen voordat dit systeem kan worden opgeschaald naar een industrieel niveau, inclusief de stabiliteit van de katalysator wanneer deze groter wordt en de noodzaak van nog verdere energiebesparingen. Nog altijd, Huang is trots op wat het team heeft bereikt.

"Door een reactor te creëren die op de ene plaats zuur is en op een andere alkalisch, we hebben een theoretische grens overschreden, " zegt hij. "We hoeven niet te kiezen tussen koolstofefficiëntie en elektronenefficiëntie:we kunnen beide optimaliseren om het beste algehele systeem te krijgen. Het wordt een uitdaging, maar ik denk dat het nu te doen is."