Koolstofdioxide is het broeikasgas dat in zijn eentje verantwoordelijk is voor 78% van de verandering in de energiebalans in de atmosfeer van de aarde tussen 1990 en 2022.

Koolstofdioxide, een bijproduct van de verbranding van fossiele brandstoffen, komt in de atmosfeer terecht via de uitlaatgassen van auto's en kolencentrales. Zelfs sommige hernieuwbare energiebronnen produceren een kleine hoeveelheid kooldioxide, hoewel dit slechts een fractie is van de hoeveelheid die steenkool en aardgas produceren.

In de kern is dit molecuul slechts een arrangement van één koolstof- en twee zuurstofatomen die kunnen worden gereorganiseerd via een proces dat elektrochemische koolstofdioxidereductie wordt genoemd (CO₂ R) in schone brandstoffen en nuttige chemicaliën. Maar dit proces verloopt vaak met verlies, waarbij concurrerende processen de atomen in ongewenste richtingen trekken, waardoor ongewenste bijproducten ontstaan.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Nature Catalysis , schetsten onderzoekers van het Amanchukwu Lab van de UChicago Pritzker School of Molecular Engineering een manier om watermoleculen te manipuleren om CO₂ te maken R efficiënter, met als uiteindelijk doel het creëren van een schone energiekringloop.

Via hun nieuwe methode kon het team CO₂ uitvoeren R met een efficiëntie van bijna 100% onder lichtzure omstandigheden, waarbij goud of zink als katalysatoren worden gebruikt.

"Stel je voor dat we groene elektriciteit kunnen krijgen uit zonne- en windenergie, en deze elektriciteit vervolgens kunnen gebruiken om koolstofdioxide weer om te zetten in brandstoffen", zegt PME Ph.D. kandidaat Reggie Gomes, eerste auteur van het nieuwe artikel.

Concurreren met HAAR

Het elektrochemisch demonteren van een molecuul is als de doorbraak in een spelletje pool. Het vorige arrangement verdwijnt en de ballen verspreiden zich over de tafel en komen tot stilstand in nieuwe combinaties – niet altijd de combinaties die de speler bedoelde.

Op dezelfde manier doen onderzoekers CO₂ R elektriciteit en water gebruiken om het schadelijke broeikasgas af te breken en te herschikken. Hierdoor worden koolstof- en zuurstofatomen uit de kooldioxide over de tafel gestuurd, samen met waterstofatomen uit het water.

Als het werkt zoals bedoeld, vormen de atomen andere, meer wenselijke moleculen die kunnen worden gebruikt als brandstof of chemicaliën.

Maar naarmate de atomen zich verspreiden, vormen zich vaak stabiele paren van twee waterstofatomen, een proces dat de waterstofevolutiereactie (HER) wordt genoemd. Dit maakt CO₂ R is minder efficiënt, omdat energie en atomen die waterstofgas worden geen deel kunnen uitmaken van de moleculen die de wetenschappers probeerden te creëren.

Zelfs in kleine hoeveelheden water, CO₂ R concurreert altijd met HAAR.

Het Amanchukwu Lab, dat vooral bekend staat om zijn onderzoek naar batterijen, paste inzichten uit waterige batterijen toe op het probleem, met de hypothese dat het controleren van het water met organische oplosmiddelen een oplossing zou kunnen bieden.

Alles wat blinkt

Beide CO₂ R en HER zijn afhankelijk van water als protondonor. Met behulp van organische oplosmiddelen en zuuradditieven kon het team het watergedrag afstemmen en de goede plek vinden waar het de juiste hoeveelheid protonen doneerde om de beoogde moleculen te creëren, en niet het waterstofgas en andere ongewenste materialen zoals carbonaten.

"In de algemene scheikunde leren we dat kooldioxide reageert met hydroxide om carbonaat te vormen. Dat is ongewenst omdat het het molecuul uitput dat we willen valoriseren", zegt Chibueze Amanchukwu, assistent-professor van Molecular Engineering bij de familie Neubauer.

Veel van de meest effectieve manieren om CO₂ uit te voeren R vertrouwen op edele metalen.

"Platinum, zilver, goud:voor onderzoeksdoeleinden zijn het geweldige katalysatoren", zei Gomes. "Het zijn zeer stabiele materialen. Maar als je aan industriële toepassingen denkt, worden ze onbetaalbaar."

Door de elektrolyt te engineeren, kan de nieuwe methode vergelijkbare resultaten behalen met goedkopere, overvloedigere materialen.

"Op dit moment is de beste manier om dit elektrochemisch bij kamertemperatuur te doen het gebruik van edelmetalen. Goud en zilver kunnen de waterstofevolutiereactie een beetje onderdrukken", zei Amanchukwu. "Dankzij onze ontdekking kunnen we nu een metaal dat veel in de aarde voorkomt, zink, gebruiken, omdat we nu een aparte manier hebben om water onder controle te houden."

Meer informatie: Reginaldo J. Gomes et al., Het moduleren van de waterstofbinding van water in een niet-waterige omgeving regelt de reactiviteit ervan bij elektrochemische transformaties, Natuurkatalyse (2024). DOI:10.1038/s41929-024-01162-z

Journaalinformatie: Natuurkatalyse

Aangeboden door Universiteit van Chicago