Een gewoon broeikasgas kan op een efficiënte en milieuvriendelijke manier worden hergebruikt met een elektrolyseur die hernieuwbare elektriciteit gebruikt om pure vloeibare brandstoffen te produceren.

De katalytische reactor ontwikkeld door het Rice University-lab van chemisch en biomoleculair ingenieur Haotian Wang gebruikt koolstofdioxide als grondstof en, in zijn nieuwste prototype, produceert sterk gezuiverde en hoge concentraties mierenzuur.

Mierenzuur geproduceerd door traditionele kooldioxide-apparaten heeft dure en energie-intensieve zuiveringsstappen nodig, zei Wang. De directe productie van zuivere mierenzuuroplossingen zal helpen om commerciële koolstofdioxideomzettingstechnologieën te bevorderen.

De methode is gedetailleerd in Natuur Energie .

Wang, die in januari toetrad tot Rice's Brown School of Engineering, en zijn groep streven naar technologieën die broeikasgassen omzetten in bruikbare producten. Bij testen, de nieuwe elektrokatalysator bereikte een energieconversie-efficiëntie van ongeveer 42%. Dat betekent dat bijna de helft van de elektrische energie kan worden opgeslagen in mierenzuur als vloeibare brandstof.

"Mierenzuur is een energiedrager, Wang zei. "Het is een brandstofcelbrandstof die elektriciteit kan opwekken en koolstofdioxide kan uitstoten - die je kunt oppakken en opnieuw kunt recyclen.

"Het is ook van fundamenteel belang in de chemische industrie als grondstof voor andere chemicaliën, en een opslagmateriaal voor waterstof dat bijna 1 kan bevatten 000 keer de energie van hetzelfde volume waterstofgas, die moeilijk te comprimeren is, " zei hij. "Dat is momenteel een grote uitdaging voor waterstof-brandstofcelauto's."

Twee vorderingen maakten het nieuwe apparaat mogelijk, zei hoofdauteur en Rice postdoctoraal onderzoeker Chuan Xia. De eerste was zijn ontwikkeling van een robuust, tweedimensionale bismutkatalysator en de tweede een elektrolyt in vaste toestand die de noodzaak van zout als onderdeel van de reactie elimineert.

"Bismut is een zeer zwaar atoom, in vergelijking met overgangsmetalen zoals koper, ijzer of kobalt, Wang zei. "Zijn mobiliteit is veel lager, vooral onder reactieomstandigheden. Dus dat stabiliseert de katalysator." Hij merkte op dat de reactor is gestructureerd om te voorkomen dat water in contact komt met de katalysator, wat ook helpt om het te behouden.

Xia kan de nanomaterialen in bulk maken. "Momenteel, mensen produceren katalysatoren op de milligram- of gramschaal, " zei hij. "We hebben een manier ontwikkeld om ze op kilogramschaal te produceren. Dat maakt ons proces makkelijker op te schalen voor de industrie."

De op polymeer gebaseerde vaste elektrolyt is gecoat met sulfonzuurliganden om positieve lading of amino-functionele groepen te geleiden om negatieve ionen te geleiden. "Meestal verminderen mensen koolstofdioxide in een traditionele vloeibare elektrolyt zoals zout water, " zei Wang. "Je wilt dat de elektriciteit wordt geleid, maar zuiver waterelektrolyt is te resistent. U moet zouten zoals natriumchloride of kaliumbicarbonaat toevoegen, zodat ionen vrij in water kunnen bewegen.

"Maar als je op die manier mierenzuur genereert, het vermengt zich met de zouten, " zei hij. "Voor de meeste toepassingen moet je de zouten uit het eindproduct verwijderen, wat veel energie en kosten kost. Dus gebruikten we vaste elektrolyten die protonen geleiden en die gemaakt kunnen zijn van onoplosbare polymeren of anorganische verbindingen. het elimineren van de behoefte aan zouten."

De snelheid waarmee water door de productkamer stroomt, bepaalt de concentratie van de oplossing. Langzame doorvoer met de huidige opstelling produceert een oplossing die bijna 30 gew.% mierenzuur bevat, terwijl snellere stromen het mogelijk maken om de concentratie aan te passen. De onderzoekers verwachten hogere concentraties te bereiken van reactoren van de volgende generatie die gasstroom accepteren om zuivere mierenzuurdampen naar buiten te brengen.

Het Rice-lab werkte samen met Brookhaven National Laboratory om het lopende proces te bekijken. "Röntgenabsorptiespectroscopie, een krachtige techniek beschikbaar bij de Inner Shell Spectroscopy (ISS) bundellijn bij Brookhaven Lab's National Synchrotron Light Source II, stelt ons in staat om de elektronische structuur van elektrokatalysatoren in operando te onderzoeken - dat wil zeggen, tijdens het eigenlijke chemische proces, " zei co-auteur Eli Stavitski, hoofdbundellijnwetenschapper bij ISS. "In dit werk, we volgden de oxidatietoestanden van bismut bij verschillende potentialen en waren in staat om de actieve toestand van de katalysator te identificeren tijdens de reductie van kooldioxide."

Met zijn huidige reactor, het laboratorium produceerde 100 uur continu mierenzuur met een verwaarloosbare afbraak van de componenten van de reactor, inclusief de katalysatoren op nanoschaal. Wang suggereerde dat de reactor gemakkelijk kan worden omgebouwd om producten met een hogere waarde te produceren, zoals azijnzuur, ethanol- of propanolbrandstoffen.

"Het grote plaatje is dat de vermindering van kooldioxide erg belangrijk is voor het effect op de opwarming van de aarde en voor de groene chemische synthese, Wang zei. "Als de elektriciteit uit hernieuwbare bronnen komt, zoals de zon of wind, we kunnen een kringloop creëren die koolstofdioxide omzet in iets belangrijks zonder er meer van uit te stoten."