Koper - het spul van centen en theeketels - is ook een van de weinige metalen die kooldioxide met relatief weinig energie kunnen omzetten in koolwaterstofbrandstoffen. Wanneer gevormd tot een elektrode en gestimuleerd met spanning, koper werkt als een sterke katalysator, het veroorzaken van een elektrochemische reactie met kooldioxide die het broeikasgas reduceert tot methaan of methanol.

Verschillende onderzoekers over de hele wereld hebben het potentieel van koper bestudeerd als een energie-efficiënte manier om kooldioxide-emissies in krachtcentrales te recyclen:in plaats van vrij te komen in de atmosfeer, koolstofdioxide zou door een koperkatalysator worden gecirculeerd en omgezet in methaan - dat vervolgens de rest van de plant zou kunnen aandrijven. Zo'n zelfbekrachtigend systeem zou de uitstoot van broeikasgassen van kolengestookte en aardgasgestookte centrales enorm kunnen verminderen.

Maar koper is temperamentvol:gemakkelijk geoxideerd, zoals wanneer een oude cent groen wordt. Als resultaat, het metaal is onstabiel, die de reactie met kooldioxide aanzienlijk kan vertragen en ongewenste bijproducten zoals koolmonoxide en mierenzuur kan produceren.

Nu hebben onderzoekers van MIT een oplossing bedacht die de energie die nodig is voor koper om koolstofdioxide om te zetten, verder kan verminderen, terwijl het metaal ook veel stabieler wordt. De groep heeft minuscule nanodeeltjes van koper vermengd met goud ontwikkeld, die bestand is tegen corrosie en oxidatie. De onderzoekers constateerden dat alleen een vleugje goud koper veel stabieler maakt. Bij experimenten, ze bedekten elektroden met de hybride nanodeeltjes en ontdekten dat er veel minder energie nodig was om deze gemanipuleerde nanodeeltjes te laten reageren met koolstofdioxide, vergeleken met nanodeeltjes van puur koper.

Een paper met details over de resultaten zal in het tijdschrift verschijnen Chemische communicatie ; het onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation. Co-auteur Kimberly Hamad-Schifferli van MIT zegt dat de bevindingen wijzen op een potentieel energie-efficiënte manier om de uitstoot van kooldioxide door krachtcentrales te verminderen.

“Normaal moet je veel energie steken in het omzetten van koolstofdioxide in iets nuttigs, " zegt Hamad-Schifferli, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en biologische technologie. "We hebben aangetoond dat hybride koper-goud nanodeeltjes veel stabieler zijn, en het potentieel hebben om de energie die je nodig hebt voor de reactie te verlagen.”

Klein gaan

Het team koos ervoor om deeltjes op nanoschaal te engineeren om "meer waar voor hun geld te krijgen, ” Hamad-Schifferli zegt:Hoe kleiner de deeltjes, hoe groter het oppervlak dat beschikbaar is voor interactie met koolstofdioxidemoleculen. "Je zou meer locaties kunnen hebben waar de CO2 blijft hangen en in iets anders verandert, ' zegt ze.

Hamad-Schifferli werkte samen met Yang Shao-Horn, de Gail E. Kendall universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT, postdoc Zichuan Xu en Erica Lai '14. Het team koos goud als een geschikt metaal om te combineren met koper, voornamelijk vanwege de bekende eigenschappen. (Onderzoekers hebben eerder goud en koper op veel grotere schaal gecombineerd, opmerkend dat de combinatie verhinderde dat koper oxideerde.)

Om de nanodeeltjes te maken, Hamad-Schifferli en haar collega's mengden zouten met goud in een oplossing van koperzouten. Ze verhitten de oplossing, het creëren van nanodeeltjes die koper met goud versmolten. Xu liet de nanodeeltjes vervolgens een reeks reacties ondergaan, het veranderen van de oplossing in een poeder dat werd gebruikt om een ​​kleine elektrode te coaten.

Om de reactiviteit van de nanodeeltjes te testen, Xu plaatste de elektrode in een beker met oplossing en liet er kooldioxide in borrelen. Hij zette een kleine spanning op de elektrode, en de resulterende stroom in de oplossing gemeten. Het team redeneerde dat de resulterende stroom zou aangeven hoe efficiënt de nanodeeltjes reageerden met het gas:als CO2-moleculen zouden reageren met plaatsen op de elektrode - en vervolgens vrijgeven om andere CO2-moleculen met dezelfde plaatsen te laten reageren - zou de stroom verschijnen als een zeker potentieel werd bereikt, wat wijst op een regelmatige "omzet". de reactie zou vertragen, het vertragen van het verschijnen van de stroom bij hetzelfde potentiaal.

Het team ontdekte uiteindelijk dat het potentieel dat werd toegepast om een ​​constante stroom te bereiken veel kleiner was voor hybride koper-goud nanodeeltjes dan voor puur koper en goud - een indicatie dat de hoeveelheid energie die nodig was om de reactie uit te voeren veel lager was dan die nodig was bij het gebruik van nanodeeltjes gemaakt van puur koper.

Vooruit gaan, Hamad-Schifferli zegt dat ze hoopt de structuur van de goud-koper nanodeeltjes nader te bekijken om een ​​optimale configuratie te vinden voor het omzetten van koolstofdioxide. Tot dusver, het team heeft de effectiviteit aangetoond van nanodeeltjes die voor een derde uit goud en voor twee derde uit koper bestaan, evenals tweederde goud en een derde koper.

Hamad-Schifferli erkent dat het bekleden van elektroden op industriële schaal, gedeeltelijk met goud, duur kan worden. Echter, ze zegt, de energiebesparingen en het hergebruikpotentieel voor dergelijke elektroden kunnen de initiële kosten compenseren.

“Het is een afweging, ', zegt Hamad-Schifferli. “Goud is natuurlijk duurder dan koper. Maar als het u helpt een product te krijgen dat aantrekkelijker is, zoals methaan in plaats van koolstofdioxide, en bij een lager energieverbruik, dan is het misschien de moeite waard. Als je het steeds opnieuw zou kunnen gebruiken, en de duurzaamheid is hoger vanwege het goud, dat is een vinkje in de plus-kolom.”

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.