Wetenschap
Een katalysator voor het omzetten van koolstofdioxide, de belangrijkste oorzaak van de opwarming van de aarde, in ethyleen met behulp van vitamine C
Een gezamenlijk onderzoeksteam heeft een nieuwe elektrochemische katalysator ontwikkeld die de omzetting uit kooldioxide (CO2 ) naar ethyleen (C2 H4 ).
Door gezamenlijke inspanningen onder leiding van de professoren Dae-hyun Nam en Youn-gu Lee van de afdeling Energiewetenschappen en Engineering van DGIST en professor Seo-in Back van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Technologie van de Sogang Universiteit, heeft het onderzoeksteam een technologie bedacht om de ethyleenproductie substantieel te verbeteren door vitamine C op te nemen in een kooldioxidereductiekatalysator van een heterogeen systeem.
Dit is gebaseerd op de waarneming dat de aanwezigheid van koolstofdioxide in de lucht van invloed is op het vitamine C-gehalte in fruit.
De elektrochemische reductie van kooldioxide krijgt steeds meer erkenning als een fundamentele technologie voor ‘milieuvriendelijke energie’. Dit proces heeft tot doel de concentratie van kooldioxide in de atmosfeer te verminderen en tegelijkertijd schonere bronnen van toekomstige energie te genereren. Bestaande elektrochemische katalysatoren worden echter geconfronteerd met uitdagingen bij het bereiken van consistente katalytische prestaties onder omstandigheden met hoge stroomdichtheid.
Deze beperking belemmert de vorming van het essentiële tussenproduct, koolmonoxide, dat een cruciale rol speelt bij de omzetting van ethyleen. In plaats daarvan hebben deze katalysatoren de neiging de reactie voor het genereren van waterstof te induceren in plaats van de reactie voor het verminderen van kooldioxide.
Voor een naadloze reductie van kooldioxide is het daarom belangrijk om een stabiele vorming van het tussenproduct koolmonoxide bij hoge stroomdichtheid via een elektrochemische katalysator te bereiken en dimerisatie te bevorderen waarbij twee koolmonoxide-tussenproducten worden gecombineerd.
Zo heeft het onderzoeksteam onder leiding van professor Nam van DGIST een methode bedacht om de oxidatie-reductiereactie van vitamine C te integreren in de elektrochemische reductie van kooldioxide, gebaseerd op het fenomeen waarbij het vitamine C-gehalte in fruit afneemt in een omgeving met een hoge concentratie. van kooldioxide.
Het onderzoeksteam synthetiseerde vitamine C met grafeen-kwantumdots en vervaardigde een "vitamine C-stimulerende koperen nanodraad" door het gesynthetiseerde materiaal te combineren met koper. Deze aanpak hielp bij het stabiliseren van vitamine C door de nano-opsluitingseffecten van grafeen-kwantumdots en maakte de omkeerbaarheid van oxidatiereductie mogelijk.
Bovendien leverde de oxidatie-reductiereactie van vitamine C consequent elektronen en protonen aan kooldioxide, waardoor het dimerisatieproces werd bevorderd en het tussenproduct koolmonoxide ontstond. Bijgevolg vertoonde de nieuw ontwikkelde katalysator een 2,9-voudige verbetering van de ethyleenproductie in vergelijking met conventionele koperen nanodraadkatalysatoren.
Bovendien heeft het onderzoeksteam vastgesteld dat de vitamine C, opgesloten in grafeen, de integratie van het koolmonoxide-tussenproduct en de koperkatalysator optimaliseert door middel van real-time Raman-spectroscopische analyse en computersimulatie. Het onderzoeksteam heeft ook het werkingsprincipe van de katalysator geïdentificeerd door te verifiëren dat elektronen en protonen kunnen worden afgeleverd, wat de reductiereactie van koolstofdioxide op basis van een sterke waterstofbinding vergemakkelijkt.
Professor Nam van DGIST verklaarde:"Dit onderzoek creëerde een elektrochemische katalysator die in staat is tot grootschalige ethyleenproductie door de reductie van kooldioxide en onthulde een nieuw reactiemechanisme. Deze technologie zal naar verwachting een sleutelrol spelen bij het bereiken van koolstofneutraliteit door kooldioxide te transformeren – een belangrijke bijdrager aan de opwarming van de aarde – tot een hoogwaardige verbinding."
Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .