De flesta bilar och lastbilar i USA körs på en blandning av 90 procent bensin och 10 procent etanol, ett förnybart bränsle tillverkat främst av jäst majs. Men för att producera de 14 miljarder liter etanol som konsumeras årligen av amerikanska förare krävs miljontals hektar jordbruksmark.

En ny upptäckt av forskare vid Stanford University kan leda till en ny, mer hållbart sätt att göra etanol utan majs eller andra grödor. Denna lovande teknik har tre grundläggande komponenter:vatten, koldioxid och elektricitet som levereras genom en kopparkatalysator. Resultaten publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Ett av våra långsiktiga mål är att producera förnybar etanol på ett sätt som inte påverkar den globala livsmedelsförsörjningen, " sade studiens huvudutredare Thomas Jaramillo, en docent i kemiteknik vid Stanford och i fotonvetenskap vid SLAC National Accelerator Laboratory.

Forskare skulle vilja designa kopparkatalysatorer som selektivt omvandlar koldioxid till högvärdiga kemikalier och bränslen, som etanol och propanol, med få eller inga biprodukter. Men först behöver de en tydlig förståelse för hur dessa katalysatorer faktiskt fungerar. Det är där de senaste fynden kommer in.

Kopparkristaller

För PNAS studie, Stanford-teamet valde tre prover av kristallin koppar, känd som koppar (100), koppar (111) och koppar (751). Forskare använder dessa siffror för att beskriva ytgeometrierna för enkristaller.

"Koppar (100), (111) och (751) ser praktiskt taget identiska ut men har stora skillnader i hur deras atomer är ordnade på ytan, sa Christopher Hahn, en associerad forskare vid SLAC och medförfattare till studien. "Kärnan i vårt arbete är att förstå hur dessa olika aspekter av koppar påverkar elektrokatalytisk prestanda."

I tidigare studier, forskare hade skapat enkristallkopparelektroder bara 1 kvadratmillimeter stora.

"Med en så liten kristall, det är svårt att identifiera och kvantifiera molekylerna som produceras på ytan, " Hahn förklarade. "Detta leder till svårigheter att förstå de kemiska reaktionerna, så vårt mål var att göra större kopparelektroder med ytkvaliteten av en enda kristall."

För att skapa större prover, Hahn och hans medarbetare på SLAC utvecklade ett nytt sätt att odla enkristallliknande koppar ovanpå stora skivor av kisel och safir.

"Det Chris gjorde var fantastiskt, " Sa Jaramillo. "Han gjorde filmer av koppar (100), (111) och (751) med 6 kvadratcentimeter ytor. Det är 600 gånger större än vanliga enkristaller.

Katalytisk prestanda

För att jämföra elektrokatalytisk prestanda, forskarna placerade de tre stora elektroderna i vatten, exponerade dem för koldioxidgas och anbringade en potential för att generera en elektrisk ström.

Resultaten var tydliga. När en specifik spänning applicerades, elektroderna gjorda av koppar (751) var mycket mer selektiva för flytande produkter, som etanol och propanol, än de som är gjorda av koppar (100) eller (111). Förklaringen kan ligga i de olika sätt som kopparatomer är inriktade på de tre ytorna.

"I koppar (100) och (111), ytatomerna är packade nära varandra, som ett fyrkantigt galler och en bikaka, respektive" sa Hahn. "Som ett resultat, varje atom är bunden till många andra atomer runt den, och det tenderar att göra ytan mer inert."

Men i koppar (751), ytatomerna är längre ifrån varandra.

"En kopparatom (751) har bara två närmaste grannar, " Sa Hahn. "Men en atom som inte är bunden till andra atomer är ganska olycklig, och det gör att den vill binda starkare till inkommande reaktanter som koldioxid. Vi tror att detta är en av nyckelfaktorerna som leder till bättre selektivitet till produkter med högre värde, som etanol och propanol."

I sista hand, Stanford-teamet skulle vilja utveckla en teknik som kan selektivt producera koldioxidneutrala bränslen och kemikalier i industriell skala.

"Ögat på priset är att skapa bättre katalysatorer som har spelförändrande potential genom att ta koldioxid som råvara och omvandla den till mycket mer värdefulla produkter med förnybar elektricitet eller solljus direkt, ", sade Jaramillo. "Vi planerar att använda denna metod på nickel och andra metaller för att ytterligare förstå kemin vid ytan. Vi tror att den här studien är en viktig pusselbit och kommer att öppna upp helt nya forskningsvägar för samhället."

Jaramillo är också biträdande chef för SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, ett partnerskap mellan Stanford School of Engineering och SLAC.

Studien skrevs också av huvudförfattaren Toru Hatsukade, Drew Higgins och Stephanie Nitopi på Stanford; Youn-Geun Kim på SLAC; och Jack Baricuatro och Manuel Soriaga vid California Institute of Technology.