Grafeen-kwantumdots kunnen een eenvoudige manier bieden om afvalkooldioxide te recyclen tot waardevolle brandstof in plaats van het in de atmosfeer af te geven of het ondergronds te begraven. volgens wetenschappers van Rice University.

Met stikstof gedoteerde grafeen-quantumdots (NGQD's) zijn een efficiënte elektrokatalysator om complexe koolwaterstoffen te maken uit koolstofdioxide, volgens het onderzoeksteam onder leiding van rijstmateriaalwetenschapper Pulickel Ajayan. Met behulp van elektrokatalyse, zijn lab heeft de omzetting van het broeikasgas in kleine hoeveelheden ethyleen en ethanol aangetoond.

Het onderzoek wordt deze week gedetailleerd in Natuurcommunicatie .

Hoewel ze het mechanisme niet helemaal begrijpen, de onderzoekers ontdekten dat NGQD's bijna net zo efficiënt werkten als koper, die ook wordt getest als een katalysator om koolstofdioxide te verminderen tot vloeibare brandstoffen en chemicaliën. En NGQD's behouden hun katalytische activiteit lang, meldden ze.

"Het is verrassend omdat mensen alle verschillende soorten katalysatoren hebben geprobeerd. En er zijn maar een paar echte keuzes, zoals koper, " zei Ajayan. "Ik denk dat wat we hebben gevonden fundamenteel interessant is, omdat het een efficiënt pad biedt om nieuwe soorten katalysatoren te screenen om koolstofdioxide om te zetten in producten met een hogere waarde."

Die problemen zijn nauwelijks een geheim. Atmosferische kooldioxide steeg eerder dit jaar tot boven 400 delen per miljoen, het hoogste dat het is geweest in minstens 800, 000 jaar, zoals gemeten door middel van ijskernanalyse.

"Als we een aanzienlijk deel van de uitgestoten koolstofdioxide kunnen omzetten, we zouden de stijgende niveaus van koolstofdioxide in de atmosfeer kunnen beteugelen, die verband houden met klimaatverandering, " zei co-auteur Paul Kenis van de Universiteit van Illinois.

Bij laboratoriumtesten, NGQD's bleken in staat om koolstofdioxide tot 90 procent te verminderen en 45 procent om te zetten in ethyleen of alcohol, vergelijkbaar met koperen elektrokatalysatoren.

Grafeen-kwantumstippen zijn atoomdikke platen van koolstofatomen die zijn opgesplitst in deeltjes van ongeveer een nanometer dik en slechts enkele nanometers breed. De toevoeging van stikstofatomen aan de stippen maakt wisselende chemische reacties mogelijk wanneer een elektrische stroom wordt aangelegd en een grondstof zoals koolstofdioxide wordt geïntroduceerd.

"Koolstof is meestal geen katalysator, " Zei Ajayan. "Een van onze vragen is waarom deze doping zo effectief is. Wanneer stikstof in het hexagonale grafietrooster wordt ingebracht, er zijn meerdere posities die het kan innemen. Elk van deze posities, afhankelijk van waar stikstof zit, verschillende katalytische activiteit moeten hebben. Dus het was een puzzel, en hoewel mensen de afgelopen vijf tot tien jaar veel artikelen hebben geschreven over gedoteerde en defecte koolstof als katalysator, de puzzel is niet echt opgelost."

"Onze bevindingen suggereren dat de pyridine-stikstof (een basische organische verbinding) die aan de rand van grafeen-kwantumstippen zit, leidt tot de katalytische omzetting van koolstofdioxide in koolwaterstoffen, " zei Rice postdoctoraal onderzoeker Jingjie Wu, co-hoofdauteur van het artikel. "De volgende taak is het verder verhogen van de stikstofconcentratie om de opbrengst aan koolwaterstoffen te helpen verhogen."

Ajayan merkte op dat hoewel elektrokatalyse voorlopig effectief is op laboratoriumschalen, industrie vertrouwt op schaalbare thermische katalyse om brandstoffen en chemicaliën te produceren. "Om die reden, bedrijven zullen het waarschijnlijk niet snel gebruiken voor grootschalige productie. Maar elektrokatalyse kan eenvoudig in het laboratorium worden gedaan, en we hebben laten zien dat het nuttig zal zijn bij de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren."