Forskare har utvecklat ett ljusaktiverat material som kemiskt kan omvandla koldioxid till kolmonoxid utan att generera oönskade biprodukter. Prestationen markerar ett betydande steg framåt i utvecklingen av teknik som kan hjälpa till att generera bränsle och andra energirika produkter med hjälp av en soldriven katalysator och samtidigt minska nivåerna av en potent växthusgas.

Vid exponering för synligt ljus, Materialet, en "svampig" nickel organisk kristallin struktur, omvandlade koldioxiden (CO2) i en reaktionskammare uteslutande till kolmonoxid (CO) gas, som ytterligare kan förvandlas till flytande bränslen, lösningsmedel, och andra användbara produkter.

En internationell forskargrupp ledd av forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Nanyang Technological University (NTU) i Singapore publicerade arbetet 28 juli i tidskriften Vetenskapliga framsteg .

"Vi visar en nästan 100 procent selektivitet av CO -produktionen, utan detektion av konkurrerande gasprodukter som väte eller metan, "sa Haimei Zheng, personalvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och medmotsvarande författare till studien. "Det är en stor grej. När det gäller koldioxidminskning, du vill komma bort med en produkt, inte en blandning av olika saker. "

Att bli av med tävlingen

Inom kemi, reduktion avser förstärkning av elektroner i en reaktion, medan oxidation är när en atom förlorar elektroner. Bland de välkända exemplen på koldioxidreduktion finns i fotosyntes, när växter överför elektroner från vatten till koldioxid samtidigt som de skapar kolhydrater och syre.

Koldioxidreducering behöver katalysatorer för att bryta molekylens stabila bindningar. Intresset för att utveckla katalysatorer för soldriven minskning av koldioxid för att generera bränslen har ökat med den snabba förbrukningen av fossila bränslen under det senaste århundradet, och med önskan om förnybara energikällor.

Forskare har varit särskilt angelägna om att eliminera konkurrerande kemiska reaktioner i minskningen av koldioxid.

"Fullständigt undertryckande av den konkurrerande väteutvecklingen under en fotokatalytisk CO2-till-CO-omvandling hade inte uppnåtts innan vårt arbete, sa Zheng.

På Berkeley Lab, Zheng och hennes kollegor utvecklade en innovativ laserkemisk metod för att skapa ett metallorganiskt kompositmaterial. De löste nickelprekursorer i en lösning av trietylenglykol och utsatte lösningen för en ofokuserad infraröd laser, som utlöste en kedjereaktion i lösningen när metallen absorberade ljuset. Den resulterande reaktionen bildade metall-organiska kompositer som sedan separerades från lösningen.

"När vi ändrade laserns våglängd, vi skulle få olika kompositer, "säger författaren Kaiyang Niu i studien, en materialvetare i Zheng's lab. "Det var så vi bestämde att reaktionerna var ljusaktiverade snarare än värmeaktiverade."

Forskarna präglade materialets struktur vid Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility på Berkeley Lab. Den nickel-organiska fotokatalysatorn hade anmärkningsvärda likheter med metall-organiska ramverk, eller MOF. Medan MOF har en vanlig kristallin struktur med styva länkar mellan de organiska och oorganiska komponenterna, denna nya fotokatalysator innehåller en blandning av mjuka länkar av olika längder kopplade till nickel, skapa defekter i arkitekturen.

"De resulterande defekterna är avsiktliga, skapa fler porer och platser där katalytiska reaktioner kan uppstå, "sa Niu." Det här nya materialet är mer aktivt och mycket selektivt jämfört med MOF som tillverkas av traditionell uppvärmning. "

Minska CO2 till CO

Forskare vid NTU testade det nya materialet i en gaskammare fylld med koldioxid, mätning av reaktionsprodukterna med användning av gaskromatografi och masspektrometri -tekniker vid regelbundna tidsintervaller. De bestämde att på en timme vid rumstemperatur, 1 gram av den nickel-organiska katalysatorn kunde producera 16, 000 mikromol, eller 400 milliliter, av kolmonoxid. Dessutom, de bestämde att katalysatorn hade en lovande stabilitet som gjorde det möjligt att använda den under en längre tid.

Minskningen av koldioxid med katalysatorer är inte ny, men andra material genererar vanligtvis flera kemikalier i processen. Den nästan totala produktionen av kolmonoxid med detta material representerade en ny nivå av selektivitet och kontroll, framhöll forskarna.

Forskarna har några tankar om hur denna selektivitet uppstår. De föreslår att arkitekturen hos deras fotokatalysator gör det lättare för koldioxidanjoner att binda till reaktionsställen, lämnar lite utrymme för väteradikaler att landa. Detta skulle begränsa protonöverföringarna som är nödvändiga för att bilda vätgas, sa forskarna.

Forskarna drev den nickel-organiska fotokatalysatorn ytterligare genom att berika den med rodium eller silver-nanokristaller för att skapa myrsyra och ättiksyra, respektive. Myrsyra, finns i myrgift och brännässla, och ättiksyra, huvudkomponenten i ättika, båda används i stor utsträckning inom industrin. Mer viktigt, forskarna noterade, molekylerna i dessa produkter kännetecknas av två-kol-länkar, ett steg mot att generera flytande bränslen med högre energi med fler kolbindningar

"Världen just nu är i behov av innovativa sätt att skapa alternativ till fossila bränslen, och för att stoppa halterna av överdriven koldioxid i atmosfären, "sa Zheng." Att omvandla CO2 till bränslen med solenergi är en global forskningsinsats. Den svampiga nickel-organiska fotokatalysatorn vi demonstrerade här är ett kritiskt steg mot praktisk produktion av högkvalitativa flerkolbränslen med solenergi. "