Kemister har kommit på en ny, effektivare sätt att skapa kolbaserade bränslen från koldioxid (CO2). I kemiska reaktioner utförda i labbet, ett Caltech-team har identifierat en ny tillsats som hjälper till att selektivt omvandla CO2 till bränslen som innehåller flera kolatomer – ett steg mot att i slutändan göra förnybara flytande bränslen som inte kommer från kol eller olja.

"Resultaten var ganska chockerande, säger Jonas Peters, Bren professor i kemi vid Caltech och chef för Resnick Sustainability Institute, som tillsammans ledde forskningen i samarbete med Theodor Agapie, professor i kemi vid Caltech. "Vanligtvis, i dessa typer av reaktioner med CO2, du ser många biprodukter som metan och väte. I detta fall, reaktionen var mycket selektiv för de mer önskvärda bränslena som innehåller flera kol - såsom eten, etanol, och propanol. Vi såg en omvandling på 80 procent till dessa bränsleprodukter med flera koldioxid, med bara 20 procent eller så som går till väte och metan."

Bränsle med flera kolatomer är mer önskvärda eftersom de tenderar att vara flytande - och flytande bränslen lagrar mer energi per volym än gasformiga. Till exempel, propanol, som är flytande och innehåller tre kolatomer, lagrar mer energi än metan, som är en gas och bara har en kolatom.

Målet för kemister som Peters, Agapie, och deras kollegor som arbetar vid Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), en U.S. Department of Energy (DOE) Energy Innovation Hub, är att på konstgjord väg skapa flytande transportbränslen med flera koldioxider med hjälp av de allmänt tillgängliga ingredienserna i solljus, vatten, och CO2. Den nya forskningen, publicerad 21 juli i ACS Central Science , och finansierat av JCAP, är ett steg mot det målet.

Studiens forskning utfördes av Caltech postdoktorala forskare Ruud Kortlever och Hsiang-Yun Chen och tidigare postdoc Zhiji Han.

För att hitta den perfekta kombinationen för att tillverka flerkolbränslen, teamet experimenterade med en blandning av olika kemikalier i labbet. De använde en vattenlösning och en kopparelektrod, som fungerade som både en katalysator och energikälla i stället för solen. Gruppen lade till CO2 till lösningen, såväl som en klass av organiska molekyler som kallas N-substituerade arylpyridiniums, som bildade en mycket tunn avlagring på elektroden. Den här filmen, av skäl som ännu inte är förstått, dramatiskt förbättrat bränsletillverkningsreaktionen, selektivt producera de önskvärda kemikalierna etanol, eten, och propanol.

"Det är lätt att göra väte under dessa förhållanden, så vanligtvis ser vi mycket av det, " säger Agapie. "Men vi vill missgynna väteproduktionen och gynna flytande bränslen med hög energidensitet med kol-kolbindningar, vilket är precis vad vi får i våra experiment."

Ett nästa steg är att ta reda på hur tillsatserna förstärker reaktionen. Forskarna planerar också att testa liknande tillsatser för att se om de ytterligare kan förbättra selektiviteten för de önskade bränslena. I sista hand, denna information kan hjälpa till att leda till alternativa bränslen som görs effektivt från solljus, CO2, och vatten – istället för olja.

"Naturen har lagrat solenergi i form av olja under en lång period av jordens historia via en process som tar miljontals år, " säger Peters. "Kemister skulle vilja ta reda på hur man gör det här mycket snabbare."