Als onderzoekers een manier zouden kunnen vinden om koolstofdioxide chemisch om te zetten in brandstoffen of andere producten, zouden ze een grote deuk in de uitstoot van broeikasgassen kunnen veroorzaken. Maar veel van dergelijke processen die in het laboratorium veelbelovend leken, hebben niet gepresteerd zoals verwacht in opgeschaalde formaten die geschikt zouden zijn voor gebruik met een energiecentrale of andere emissiebronnen.

Nu hebben onderzoekers van MIT een belangrijke reden voor slechte prestaties in dergelijke conversiesystemen geïdentificeerd, gekwantificeerd en gemodelleerd. De boosdoener blijkt een lokale uitputting van het kooldioxidegas direct naast de elektroden te zijn die worden gebruikt om de conversie te katalyseren. Het probleem kan worden verholpen, ontdekte het team, door de stroom eenvoudig met bepaalde tussenpozen aan en uit te zetten, zodat het gas de tijd krijgt om zich weer op te bouwen tot de benodigde niveaus naast de elektrode.

De bevindingen, die vooruitgang zouden kunnen stimuleren bij de ontwikkeling van een verscheidenheid aan materialen en ontwerpen voor elektrochemische kooldioxideconversiesystemen, werden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Langmuir , in een paper van MIT-postdoc Álvaro Moreno Soto, afgestudeerde student Jack Lake, en hoogleraar werktuigbouwkunde Kripa Varanasi.

"Het verminderen van kooldioxide is, denk ik, een van de belangrijkste uitdagingen van onze tijd", zegt Varanasi. Hoewel veel van het onderzoek in het gebied zich heeft gericht op het afvangen en vastleggen van koolstof, waarbij het gas in een soort diep ondergronds reservoir wordt gepompt of wordt omgezet in een inerte vaste stof zoals kalksteen, is een andere veelbelovende manier om het gas om te zetten in andere koolstof verbindingen zoals methaan of ethanol, om als brandstof te gebruiken, of ethyleen, dat dient als voorloper van bruikbare polymeren.

Er zijn verschillende manieren om dergelijke conversies uit te voeren, waaronder elektrochemische, thermokatalytische, fotothermische of fotochemische processen. "Elk van deze heeft problemen of uitdagingen", zegt Varanasi. De thermische processen vereisen zeer hoge temperaturen en ze produceren geen zeer hoogwaardige chemische producten, wat ook een uitdaging is met de door licht geactiveerde processen, zegt hij. "Efficiëntie speelt altijd een rol, altijd een probleem."

Het team heeft zich gericht op de elektrochemische benaderingen, met als doel 'producten met een hoger C-gehalte' te krijgen - verbindingen die meer koolstofatomen bevatten en vanwege hun energie per gewicht of volume doorgaans hoogwaardigere brandstoffen zijn. Bij deze reacties was de grootste uitdaging het beteugelen van concurrerende reacties die tegelijkertijd kunnen plaatsvinden, met name de splitsing van watermoleculen in zuurstof en waterstof.

De reacties vinden plaats als een stroom vloeibaar elektrolyt met daarin opgelost koolstofdioxide over een metalen katalytisch oppervlak gaat dat elektrisch geladen is. Maar naarmate het koolstofdioxide wordt omgezet, laat het een gebied in de elektrolytstroom achter waar het in wezen is opgebruikt, en dus verandert de reactie in deze verarmde zone in plaats daarvan in de richting van watersplitsing. Deze ongewenste reactie verbruikt energie en vermindert de algehele efficiëntie van het conversieproces aanzienlijk, ontdekten de onderzoekers.

"Er zijn een aantal groepen die hieraan werken en er zijn een aantal katalysatoren", zegt Varanasi. "In al deze gevallen denk ik dat de waterstof-co-evolutie een knelpunt wordt."

Een manier om deze uitputting tegen te gaan, zo ontdekten ze, kan worden bereikt door een gepulseerd systeem - een cyclus van simpelweg de spanning uitschakelen, de reactie stoppen en de kooldioxide de tijd geven om zich terug te verspreiden naar de uitgeputte zone en weer bruikbare niveaus te bereiken, en dan de reactie hervatten.

Vaak, zeggen de onderzoekers, hebben groepen veelbelovende katalysatormaterialen gevonden, maar hebben ze hun laboratoriumtests niet lang genoeg uitgevoerd om deze uitputtingseffecten waar te nemen, en zijn ze dus gefrustreerd geweest bij het proberen hun systemen op te schalen. Verder bepaalt de concentratie kooldioxide naast de katalysator de producten die gemaakt worden. Vandaar dat uitputting ook de mix van producten die wordt geproduceerd kan veranderen en het proces onbetrouwbaar kan maken. "Als je een systeem wilt maken dat op industriële schaal werkt, moet je dingen over een lange periode kunnen laten draaien", zegt Varanasi, "en je hoeft niet dit soort effecten te hebben die de efficiëntie of betrouwbaarheid van het proces."

Het team bestudeerde drie verschillende katalysatormaterialen, waaronder koper, en "we hebben ons er echt op gefocust ervoor te zorgen dat we de uitputtingseffecten begrijpen en kunnen kwantificeren", zegt Lake. Tijdens het proces waren ze in staat om een ​​eenvoudige en betrouwbare manier te ontwikkelen om de efficiëntie van het conversieproces te volgen, door de veranderende pH-waarden, een maat voor de zuurgraad, in de elektrolyt van het systeem te meten.

In hun tests gebruikten ze meer geavanceerde analytische hulpmiddelen om reactieproducten te karakteriseren, waaronder gaschromatografie voor analyse van de gasvormige producten, en kernmagnetische resonantiekarakterisering voor de vloeibare producten van het systeem. Maar hun analyse toonde aan dat de eenvoudige pH-meting van de elektrolyt naast de elektrode tijdens bedrijf een voldoende maatstaf zou kunnen zijn voor de efficiëntie van de reactie naarmate deze vorderde.

Dit vermogen om de reactie gemakkelijk in realtime te volgen, zou uiteindelijk kunnen leiden tot een systeem dat is geoptimaliseerd door machine learning-methoden, waarbij de productiesnelheid van de gewenste verbindingen wordt gecontroleerd door continue feedback, zegt Moreno Soto.

Nu het proces wordt begrepen en gekwantificeerd, kunnen er andere benaderingen worden ontwikkeld om de koolstofdioxide-uitputting te verminderen, zeggen de onderzoekers, en deze kunnen gemakkelijk worden getest met behulp van hun methoden.

Dit werk laat zien, zegt Lake, dat "het maakt niet uit wat je katalysatormateriaal is" in zo'n elektrokatalytisch systeem, "u door dit probleem wordt beïnvloed." En nu, door gebruik te maken van het door hen ontwikkelde model, is het mogelijk om precies te bepalen welk soort tijdvenster moet worden geëvalueerd om een ​​nauwkeurig beeld te krijgen van de algehele efficiëntie van het materiaal en wat voor soort systeembewerkingen de effectiviteit ervan kunnen maximaliseren.