Zie het als recycling op nanoschaal:een prikkelend elektrochemisch proces dat koolstof kan verzamelen voordat het luchtvervuiling wordt en dit kan herstructureren tot de componenten van alledaagse producten.

De drang om koolstofdioxide uit de lucht uit industrieel afval op te vangen en er brandstof en plastic van te maken, wint aan momentum nadat een team van onderzoekers aan de McMaster University, in samenwerking met computerchemie-experts van de Deense Technische Universiteit van Kopenhagen, precies heeft ontdekt hoe het proces werkt en waar het loopt vast.

Hun werk is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

De onderzoekers wilden uitzoeken waarom synthetische materialen waarvan is aangetoond dat ze koolstofdioxide katalyseren en omzetten, te snel afbreken om het proces op industrieel niveau praktisch te kunnen maken.

Met behulp van extreem krachtige vergrotingsapparatuur van het Canadian Centre for Electron Microscopy (CCEM), gevestigd op de McMaster-campus, konden de onderzoekers de chemische reactie op nanoschaal vastleggen – miljardsten van een meter – waardoor ze zowel het conversieproces konden bestuderen als inzicht konden krijgen hoe de katalysator afbreekt onder bedrijfsomstandigheden.

Hoofdauteur Ahmed Abdellah heeft jarenlang de technieken ontwikkeld die het mogelijk maakten het proces te observeren, met behulp van een elektrochemische reactor die klein genoeg was om onder de elektronenmicroscopen in het centrum te werken.

"Het is opwindend voor ons dat dit de eerste keer is dat iemand zowel naar de vormen van deze structuren als naar hun kristalstructuren heeft kunnen kijken, om te zien hoe ze op nanoschaal evolueren", zegt Abdellah, een voormalig Ph.D. student in het laboratorium voor chemische technologie van Drew Higgins en nu postdoctoraal onderzoeker aan de CCEM.

Higgins, een corresponderende auteur van het artikel, hoopt dat de nieuwe informatie de mondiale inspanningen zal vergemakkelijken om de koolstofvervuiling terug te dringen door koolstofdioxide uit de afvalstromen te halen en in plaats daarvan te recyclen om nuttige producten te creëren die anders uit fossiele brandstoffen zouden worden geproduceerd.

"Wat we hebben ontdekt is dat katalysatoren die kooldioxide in brandstoffen en chemicaliën kunnen omzetten, onder bedrijfsomstandigheden vrij snel herstructureren. Hun structuren veranderen en hun eigenschappen veranderen, vlak voor onze ogen", zegt Higgins. ‘Dat bepaalt hoe efficiënt ze zijn in het omzetten van koolstofdioxide en hoe lang ze meegaan. De katalysatoren worden uiteindelijk afgebroken en stoppen met werken. We willen weten waarom ze dat doen en hoe ze dat doen, zodat we strategieën kunnen ontwikkelen om hun operationele levensduur te verbeteren. "

Abdellah, Higgins en hun collega's hebben goede hoop dat zij en andere onderzoekers over de hele wereld de onderzoeksresultaten die in het nieuwe artikel worden beschreven, kunnen gebruiken om de reactieve materialen langer mee te laten gaan en het proces efficiënter te katalyseren, zodat het laboratoriumproces kan worden opgeschaald. voor commercieel gebruik.

Industrieën zoals de cementproductie, het brouwen en distilleren, evenals chemische raffinaderijen, produceren grote hoeveelheden gemakkelijk opneembare kooldioxide, legt Higgins uit, waardoor ze waarschijnlijk de eerste doelwitten zijn voor het uitrollen van de technologie zodra deze is verbeterd tot het punt waarop deze commercieel levensvatbaar is. .

Andere, minder geconcentreerde vormen van CO₂ in industrieel afval zou de volgende zijn.

Hoewel dit vandaag de dag nog een gok is, zegt Higgins dat het mogelijk is dat dezelfde technologie efficiënt en stabiel genoeg kan worden om koolstofdioxide uit de omgevingslucht te halen als ‘grondstof’ voor brandstof en nuttige chemicaliën.

"We zijn nog een eindje verwijderd, maar de vooruitgang is de afgelopen vijf jaar erg snel geweest op dit gebied van onderzoek en ontwikkeling", zegt Higgins. “Tien jaar geleden dachten mensen niet aan dit soort conversies, maar nu beginnen we er veelbelovende dingen in te zien. De efficiëntie en duurzaamheid zijn echter nog niet hoog genoeg. Zodra deze knelpunten zijn weggenomen, kan dit idee echt opstijgen."

Meer informatie: Ahmed M. Abdellah et al, Impact van palladium/palladiumhydride-conversie op elektrochemische CO2-reductie via in-situ transmissie-elektronenmicroscopie en diffractie, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45096-3

Aangeboden door McMaster University