Wetenschap
Nieuwe katalysator zet kooldioxide uit industriële emissies om in veelgebruikte chemicaliën
Een goedkope katalysator op tinbasis kan koolstofdioxide selectief omzetten in drie veelgebruikte chemicaliën:ethanol, azijnzuur en mierenzuur.
In de uitstoot van veel industriële activiteiten schuilt een onaangeboorde hulpbron:koolstofdioxide (CO2 ). Het draagt bij aan de uitstoot van broeikasgassen en de opwarming van de aarde, maar zou in plaats daarvan kunnen worden opgevangen en omgezet in chemicaliën met toegevoegde waarde.
In een samenwerkingsproject waarbij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), de Northern Illinois University en de Valparaiso University betrokken zijn, rapporteren wetenschappers een familie van katalysatoren die CO2 efficiënt omzetten. omgezet in ethanol, azijnzuur of mierenzuur. Deze chemicaliën behoren tot de meest geproduceerde in de VS en zijn te vinden in veel commerciële producten. Ethanol is bijvoorbeeld een belangrijk ingrediënt in tal van huishoudelijke producten en een additief voor bijna alle Amerikaanse benzine.
Het werk is gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society .
De katalysatoren zijn gebaseerd op tinmetaal dat is afgezet op een koolstofdrager. "Als onze katalysatoren volledig ontwikkeld zijn, kunnen ze de CO2 omzetten geproduceerd bij verschillende industriële bronnen tot waardevolle chemicaliën”, zegt Di-Jia Liu. “Deze bronnen omvatten elektriciteitscentrales op fossiele brandstoffen en faciliteiten voor biovergisting en afvalverwerking.” Liu is een senior chemicus bij Argonne en een senior wetenschapper aan de Pritzker School of Moleculaire Engineering aan de Universiteit van Chicago.
De door het team gebruikte methode heet elektrokatalytische conversie, wat betekent dat CO2 de conversie via een katalysator wordt aangedreven door elektriciteit. Door de grootte van het gebruikte tin te variëren, van afzonderlijke atomen tot ultrakleine clusters en ook tot grotere nanokristallieten, kon het team de CO2 onder controle houden. omzetting in respectievelijk azijnzuur, ethanol en mierenzuur. De selectiviteit voor elk van deze chemicaliën was 90% of hoger. "Onze bevinding van een veranderend reactiepad door de grootte van de katalysator is ongekend", zei Liu.
Computationele en experimentele studies brachten verschillende inzichten aan het licht in de reactiemechanismen die de drie koolwaterstoffen vormen. Een belangrijk inzicht was dat het reactiepad volledig verandert wanneer het gewone water dat bij de omzetting wordt gebruikt, wordt overgeschakeld naar gedeutereerd water (deuterium is een isotoop van waterstof). Dit fenomeen staat bekend als het kinetische isotoopeffect. Het is nog nooit eerder waargenomen in CO2 conversie.
Dit onderzoek profiteerde van twee DOE Office of Science-gebruikersfaciliteiten in Argonne:de Advanced Photon Source (APS) en het Center for Nanoscale Materials (CNM).
"Met behulp van de harde röntgenbundels die bij de APS beschikbaar zijn, hebben we de chemische en elektronische structuren van de op tin gebaseerde katalysatoren met verschillende tinladingen vastgelegd", zegt Chengjun Sun, natuurkundige uit Argonne. Bovendien bracht de hoge ruimtelijke resolutie die mogelijk is met een transmissie-elektronenmicroscoop bij CNM rechtstreeks de rangschikking van tinatomen in beeld, van enkele atomen tot kleine clusters, met de verschillende katalysatorladingen.
Volgens Liu:"Ons uiteindelijke doel is om lokaal opgewekte elektriciteit uit wind- en zonne-energie te gebruiken om de gewenste chemicaliën voor lokale consumptie te produceren."
Hiervoor zouden de nieuw ontdekte katalysatoren moeten worden geïntegreerd in een elektrolysator op lage temperatuur om de CO2-elektrolysator uit te voeren. conversie met elektriciteit geleverd door hernieuwbare energie. Lage-temperatuur-elektrolyseapparaten kunnen werken bij bijna omgevingstemperatuur en -druk. Dit maakt een snelle start en stop mogelijk om tegemoet te komen aan de intermitterende aanvoer van hernieuwbare energie. Het is een ideale technologie om dit doel te dienen.
"Als we selectief alleen de chemicaliën kunnen produceren die nodig zijn in de buurt van de locatie, kunnen we helpen de CO2-uitstoot terug te dringen transport- en opslagkosten," merkte Liu op. "Het zou echt een win-winsituatie zijn voor lokale gebruikers van onze technologie."
Correctieopmerking (24-05-2024):In dit artikel werd eerder naar ethanol, azijnzuur en mierenzuur verwezen als 'vloeibare koolwaterstoffen'; het zijn echter geen koolwaterstoffen, omdat ze zuurstofatomen in hun moleculen bevatten.