Onderzoekers van Case Western Reserve University ontwikkelen manieren om afval om te zetten in brandstoffen en andere producten, met behulp van processen die energie-efficiënt zijn en worden aangedreven door hernieuwbare bronnen.

Meer specifiek zijn ze dicht bij het oplossen van de uitdaging van het omzetten van koolstofdioxide (CO₂ ), een belangrijk broeikasgas, met behulp van elektriciteit om te zetten in waardevolle chemicaliën.

CO₂ kan een nuttige grondstof zijn voor het maken van basischemicaliën en brandstoffen. Maar het proces van het creëren van de noodzakelijke reactie is niet eenvoudig omdat het hoge drukken, hoge temperaturen en speciale materialen vereist.

"Onze moderne samenleving heeft dringend behoefte aan technologieën die CO₂ kunnen opvangen uit afval – of zelfs lucht – en zet het onder gunstige omstandigheden om in producten”, zegt Burcu Gurkan, hoogleraar chemische technologie aan de Case School of Engineering. “Elektrochemische omzetting van kooldioxide is een onopgelost probleem dat al meer dan 150 jaar oud is.”

Tot nu toe heeft het onderzoek zich vooral gericht op de ontwikkeling van katalysatormaterialen en het begrijpen van de energie-intensieve CO₂ conversiereactie in elektrolyten op waterbasis. Toch blijven er uitdagingen bestaan ​​omdat systemen op waterbasis een beperkte capaciteit hebben voor CO₂ . Bovendien omvat het proces ongewenste nevenreacties, zoals de uitstoot van waterstofgas.

Maar dat blijkt uit een studie die dit najaar werd gepubliceerd in het Europese tijdschrift Angewandte Chemie heeft het onderzoeksteam van Case Western Reserve aangetoond dat de ionische vloeistoffen die zij hebben ontwikkeld effectief CO₂ opvangen en omzetten in een elektrochemisch proces.

Ionische vloeistoffen zijn zouten die smelten onder de 100°C. Degenen die de groep van Gurkan heeft ontwikkeld, zijn vloeibaar bij kamertemperatuur. Deze ionische vloeistoffen zijn ook uniek omdat ze een hoge capaciteit voor CO₂ hebben vastleggen en handhaven van elektrochemische stabiliteit. Als gevolg hiervan bereikte het team het gewenste elektrochemische proces.

"Onze aanpak richt zich op ionische vloeibare elektrolyten die de thermodynamica en productdistributie kunnen veranderen als gevolg van kinetische effecten die verder kunnen worden afgestemd, dankzij de flexibiliteit in het ontwerp van ionische vloeistoffen", aldus Gurkan.

De studie, geleid door Oguz Kagan Coskun, een promovendus in de groep van Gurkan, combineerde spectroscopische en elektroanalytische technieken om de fundamentele mechanismen bloot te leggen die nodig zijn voor ionische vloeistoffen om de CO₂ te activeren. reductiereactie op het oppervlak van de koperelektrode.

De groep meldde dat ze minder energie nodig hadden om de reactie aan te sturen en merkte op dat dit zou kunnen leiden tot de creatie van een verscheidenheid aan industrieel relevante producten – zonder de ongewenste bijproducten die te vinden zijn in het traditionele elektrolyseproces.

Verder legt het rapport cruciale aspecten uit die van invloed zijn op de eigenschappen van de reactieomgeving voor het effectieve gebruik van CO₂ . Deze aanvullende informatie draagt ​​bij aan een dieper begrip van de reactieomgeving, vooral met betrekking tot onconventionele elektrolyten.

Het team is van plan de individuele reactiestappen verder te onderzoeken om volgende elektrolytontwerpen te informeren. Het uiteindelijke doel:betere controle over de chemicaliën uit de reactie en het bevorderen van de elektrochemische benadering van CO₂ recycling.

Meer informatie: Oguz Kagan Coskun et al., Elektrochemische CO2-reductie op koper afstemmen door reactieve ionische vloeistoffen en natieve waterstofbrugdonors, Angewandte Chemie (2023). DOI:10.1002/ange.202312163

Journaalinformatie: Angewandte Chemie

Aangeboden door Case Western Reserve University