Forskare vid University of Illinois i Chicago och Joint Center for Artificial Photosynthesis har bestämt hur elektrokatalysatorer kan omvandla koldioxid till kolmonoxid med vatten och elektricitet. Upptäckten kan leda till utveckling av effektiva elektrokatalysatorer för storskalig produktion av syntesgas - en blandning av kolmonoxid och väte.

"Den elektrokemiska reduktionen av koldioxid till bränslen är föremål för stort intresse eftersom den erbjuder ett sätt att lagra elektricitet från energikällor som vind och solstrålning i form av kemiska bindningar, "sa Meenesh Singh, biträdande professor i kemiteknik och huvudförfattare till studien publicerad i tidskriften Förfaranden från National Academy of Sciences .

Under sin postdoktorala forskning vid University of California, Berkeley, Singh studerade artificiell fotosyntes och var en del av ett team som utvecklade artificiella löv som, när den utsätts för direkt solljus, kunde omvandla koldioxid till bränslen.

I sin senaste forskning, Singh utvecklade en toppmodern multiskala modell som förenar en kvantkemisk analys av reaktionsvägen; en mikrokinetisk modell av reaktionsdynamiken; och en kontinuummodell för transport av arter i elektrolyten för att lära sig exakt hur koldioxid kan elektrokemiskt reduceras genom en katalysator, i detta fall silver, och till kolmonoxid.

Medan den mest troliga reaktionsvägen vanligtvis identifieras utifrån kvantkemisk beräkning av den lägsta frienergibanan, detta tillvägagångssätt kan vara vilseledande när täckningar av adsorberade arter skiljer sig avsevärt, Sa Singh. Det är väsentligt, därför, att integrera effekterna från elektroniska tillstånd av en katalysator på atomnivå med dynamiken hos arter i elektrolyten på kontinuumnivå för exakt förutsägelse av elektrokatalytiska reaktionsvägar.

"Denna multiskala modell är en av de största prestationerna inom elektrokemi, " han sa.

För att förstå hur elektrokatalysatorer i bränsleceller eller elektrokemiska celler fungerar, forskare måste först undersöka de elektroniska och kvantnivåerna, vilket kan vara extremt utmanande i närvaro av ett elektriskt fält, sa Jason Goodpaster, biträdande professor i kemi vid University of Minnesota och en av medförfattarna. Det tog Singh och Goodpaster mer än ett år att individuellt producera och benchmarka modellerna och integrera dem i ett multiskala ramverk för simulering av den elektrokemiska reaktionen i full skala.

Detta är första gången, Singh sa, att forskare har förutspått kvantitativt från de första principerna, strömtätheten av kolmonoxid och väte som en funktion av tillämpad potential och tryck av koldioxid.

"När du väl inser hur dessa reaktioner sker på elektrokatalysatorer, du kan styra katalysatorernas struktur och driftsförhållanden för att effektivt producera kolmonoxid, "Singh sa. Eftersom de är produktgaser - kolmonoxid och väte är olösliga i vattenhaltiga elektrolyter - kan de lätt separeras som syntesgas och omvandlas till bränslen som metanol, dimetyleter, eller en blandning av kolväten.

Elektrokatalysatorer som guld, silver, zink, palladium och gallium är kända för att ge blandningar av koldioxid och väte i olika förhållanden beroende på den applicerade spänningen, Sa Singh. Guld och silver uppvisar den högsta aktiviteten mot koldioxidreduktion, och eftersom silver är rikare och billigare än guld, "silver är den mer lovande elektrokatalysatorn för storskalig produktion av kolmonoxid, " han sa.