Konstnärlig representation av en nickelbaserad elektrod som en nedbruten bränslepump och av en ceriumbaserad elektrod som en ny, produktiv pump. Kredit:Cube3D
Om tanken på att flyga på batteridrivna kommersiella jetplan gör dig nervös, du kan slappna av lite. Forskare har upptäckt en praktisk utgångspunkt för att omvandla koldioxid till hållbara flytande bränslen, inklusive bränslen för tyngre transportsätt som kan visa sig vara mycket svåra att elektrifiera, som flygplan, fartyg och godståg.
Kolneutral återanvändning av CO 2 har dykt upp som ett alternativ till att gräva ner växthusgasen under jord. I en ny studie publicerad idag i Naturenergi , forskare från Stanford University och Danmarks Tekniske Universitet (DTU) visar hur elektricitet och en jordrik katalysator kan omvandla CO 2 till energirik kolmonoxid (CO) bättre än konventionella metoder. Katalysatorn - ceriumoxid - är mycket mer resistent mot nedbrytning. Ta bort syre från CO 2 att göra CO-gas är det första steget i att vända CO 2 i nästan alla flytande bränslen och andra produkter, som syntetisk gas och plast. Tillsats av väte till CO kan producera bränslen som syntetisk diesel och motsvarande flygbränsle. Teamet föreställer sig att använda förnybar kraft för att göra CO och för efterföljande omvandlingar, vilket skulle resultera i koldioxidneutrala produkter.
"Vi visade att vi kan använda el för att minska CO 2 till CO med 100 procent selektivitet och utan att producera den oönskade biprodukten av fast kol, sa William Chueh, en docent i materialvetenskap och teknik vid Stanford, en av tre seniorförfattare till tidningen.
Chueh, medveten om DTU:s forskning inom detta område, bjöd in Christopher Graves, docent vid DTU:s avdelning för energiomvandling och lagring, och Theis Skafte, en dåvarande doktorand vid DTU, att komma till Stanford och arbeta med tekniken tillsammans.
"Vi hade arbetat med högtemperatur CO 2 elektrolys i flera år, men samarbetet med Stanford var nyckeln till detta genombrott, sa Skafte, huvudförfattare till studien, som nu är postdoktor vid DTU. "Vi uppnådde något vi inte kunde ha separat - både grundläggande förståelse och praktisk demonstration av ett mer robust material."
Hinder för konvertering
En fördel som hållbara flytande bränslen kan ha framför elektrifieringen av transporter är att de kan använda den befintliga bensin- och dieselinfrastrukturen, som motorer, rörledningar och bensinstationer. Dessutom, barriärerna för elektrifierande flygplan och fartyg – långväga resor och den höga vikten av batterier – skulle inte vara problem för energitäta, koldioxidneutrala bränslen.
Från vänster:Christopher Graves, Michal Bajdich och Michael Machala framför den pulsade laseravsättningsmaskinen som Machala använde för att tillverka elektroderna. Kredit:Mark Golden
Även om växter minskar CO 2 till kolrika sockerarter naturligt, en artificiell elektrokemisk väg till CO har ännu inte kommersialiserats i stor utsträckning. Bland problemen:Enheter använder för mycket el, omvandla en låg andel CO 2 molekyler, eller producera rent kol som förstör enheten. Forskare i den nya studien undersökte först hur olika enheter lyckades och misslyckades med CO 2 elektrolys.
Med insikter, forskarna byggde två celler för CO 2 omvandlingstestning:en med ceriumoxid och den andra med konventionella nickelbaserade katalysatorer. Ceria-elektroden förblev stabil, medan kolavlagringar skadade nickelelektroden, avsevärt förkortar katalysatorns livslängd.
"Denna anmärkningsvärda förmåga hos ceria har stora konsekvenser för den praktiska livslängden för CO 2 elektrolysanordningar, sa DTU:s gravar, en senior författare av studien och gästforskare vid Stanford vid den tiden. "Att ersätta den nuvarande nickelelektroden med vår nya ceriumoxidelektrod i nästa generations elektrolysör skulle förbättra enhetens livslängd."
Vägen till kommersialisering
Att eliminera tidig celldöd kan avsevärt sänka kostnaden för kommersiell CO-produktion. Undertryckandet av kolansamling gör det också möjligt för den nya typen av enhet att omvandla mer av CO 2 till CO, vilket är begränsat till långt under 50 procent CO-produktkoncentration i dagens celler. Detta kan också minska produktionskostnaderna.
"Kolundertryckningsmekanismen på ceriumoxid är baserad på att fånga kolet i stabil oxiderad form. Vi kunde förklara detta beteende med beräkningsmodeller av CO 2 sänkning vid förhöjd temperatur, vilket sedan bekräftades med röntgenfotoelektronspektroskopi av cellen i drift, " sa Michal Bajdich, en senior författare av uppsatsen och en associerad personalforskare vid SUNCAT Center for Interface Science &Catalysis, ett partnerskap mellan SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford's School of Engineering.
Den höga kostnaden för att fånga CO 2 har varit ett hinder för att avskilja det under jord i stor skala, och att höga kostnader kan vara ett hinder för att använda CO 2 att göra mer hållbara bränslen och kemikalier. Dock, marknadsvärdet av dessa produkter i kombination med betalningar för att undvika koldioxidutsläppen skulle kunna hjälpa tekniker som använder koldioxid 2 övervinna kostnadshindret snabbare.
Forskarna hoppas att deras inledande arbete med att avslöja mekanismerna i CO 2 elektrolysanordningar genom spektroskopi och modellering kommer att hjälpa andra att ställa in ytegenskaperna hos ceriumoxid och andra oxider för att ytterligare förbättra CO 2 elektrolys.
