Forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat en ny elektrokatalysator som direkt kan omvandla koldioxid till flerkolbränslen och alkoholer med hjälp av rekordlåga energiinsatser. Arbetet är det senaste i en omgång av studier som kommer från Berkeley Lab för att ta itu med utmaningen att skapa ett rent kemiskt tillverkningssystem som kan använda koldioxid på bästa sätt.

I den nya studien, publiceras denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), ett team under ledning av Berkeley Lab-forskaren Peidong Yang upptäckte att en elektrokatalysator som består av kopparnanopartiklar gav förutsättningarna för att bryta ner koldioxid för att bilda eten, etanol, och propanol.

Alla dessa produkter innehåller två till tre kolatomer, och alla anses vara högvärdiga produkter i det moderna livet. Eten är den grundläggande ingrediensen som används för att tillverka plastfilmer och flaskor samt rör av polyvinylklorid (PVC). Etanol, vanligen tillverkad av biomassa, har redan etablerat sin plats som biobränsletillsats för bensin. Även om propanol är ett mycket effektivt bränsle, det är för närvarande för dyrt att tillverka för att kunna användas för det ändamålet.

För att mäta energieffektiviteten hos katalysatorn, forskare överväger produkternas termodynamiska potential - mängden energi som kan erhållas i en elektrokemisk reaktion - och mängden extra spänning som behövs över den termodynamiska potentialen för att driva reaktionen med tillräckliga reaktionshastigheter. Den extra spänningen kallas överpotential; ju lägre överpotential, desto effektivare är katalysatorn.

"Det är nu ganska vanligt inom detta område att tillverka katalysatorer som kan producera flerkolprodukter från CO2, men dessa processer fungerar vanligtvis vid höga överpotentialer på 1 volt för att uppnå avsevärda mängder, sa Yang, en senior fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning. "Det vi rapporterar här är mycket mer utmanande. Vi upptäckte en katalysator för koldioxidreduktion som arbetar vid hög strömtäthet med en rekordlåg överpotential som är cirka 300 millivolt mindre än vanliga elektrokatalysatorer."

Kubliknande koppar

Forskarna karakteriserade elektrokatalysatorn vid Berkeley Labs Molecular Foundry med en kombination av röntgenfotoelektronspektroskopi, transmissionselektronmikroskopi, och svepelektronmikroskopi.

Katalysatorn bestod av tätt packade kopparsfärer, var och en ca 7 nanometer i diameter, skiktad ovanpå karbonpapper på ett tätt packat sätt. Forskarna fann att under den mycket tidiga perioden av elektrolys, kluster av nanopartiklar smälts samman och omvandlas till kubliknande nanostrukturer. De kubliknande formerna varierade i storlek från 10 till 40 nanometer.

"Det är efter denna övergång som reaktionerna för att bilda flerkolprodukter sker, " sade studiens huvudförfattare Dohyung Kim, en doktorand vid Berkeley Labs avdelning för kemiska vetenskaper och vid UC Berkeleys institution för materialvetenskap och teknik. "Vi försökte börja med förformade kopparkuber i nanoskala, men det gav inte betydande mängder flerkolprodukter. Det är denna strukturella förändring i realtid från kopparnanosfärer till de kubliknande strukturerna som underlättar bildningen av kolväten och oxygenater med flera kolväten."

Exakt hur det går till är fortfarande oklart, sa Yang, som också är professor vid UC Berkeleys institution för materialvetenskap och teknik.

"Vad vi vet är att denna unika struktur ger en fördelaktig kemisk miljö för CO2-omvandling till flerkolprodukter, " sa han. "De kubliknande formerna och det tillhörande gränssnittet kan vara en idealisk mötesplats där koldioxid, vatten, och elektroner kan komma samman."

Många vägar i CO2-till-bränsle-resan

Denna senaste studie exemplifierar hur koldioxidreduktion har blivit ett allt mer aktivt område inom energiforskningen under de senaste åren. Istället för att utnyttja solens energi för att omvandla koldioxid till växtföda, artificiell fotosyntes försöker använda samma utgångsingredienser för att producera kemiska prekursorer som vanligtvis används i syntetiska produkter såväl som bränslen som etanol.

Forskare vid Berkeley Lab har tagit sig an olika aspekter av denna utmaning, som att kontrollera produkten som kommer ut ur de katalytiska reaktionerna. Till exempel, under 2016, ett hybrid-halvledar-bakteriesystem utvecklades för produktion av acetat från CO2 och solljus. Tidigare i år, ett annat forskarlag använde en fotokatalysator för att omvandla koldioxid nästan uteslutande till kolmonoxid. På senare tid, en ny katalysator rapporterades för effektiv produktion av syntesgasblandningar, eller syngas.

Forskare har också arbetat med att öka energieffektiviteten av koldioxidreduktion så att system kan skalas upp för industriellt bruk.

En färsk artikel ledd av Berkeley Lab-forskare vid Joint Center for Artificial Photosynthesis utnyttjar grundläggande vetenskap för att visa hur man kan uppnå målet med soldriven bränsleproduktion med imponerande energieffektivitet genom att optimera varje komponent i ett helt system.

Den här nya PNAS studie fokuserar på effektiviteten hos katalysatorn snarare än ett helt system, men forskarna påpekar att katalysatorn kan kopplas till en mängd olika förnybara energikällor, inklusive solceller.

"Genom att använda redan etablerade värden för andra komponenter, som kommersiella solceller och elektrolysatorer, vi projicerar energieffektiviteter från el till produkt och solenergi till produkt upp till 24,1 och 4,3 procent för två till tre kolprodukter, respektive, sa Kim.

Kim uppskattar att om denna katalysator inkorporerades i en elektrolysator som en del av ett solbränslesystem, ett material på bara 10 kvadratcentimeter kunde producera cirka 1,3 gram eten, 0,8 gram etanol, och 0,2 gram propanol per dag.

"Med fortsatta förbättringar av enskilda komponenter i ett solbränslesystem, dessa siffror borde fortsätta att förbättras med tiden, " han sa.