En ny katalysator skapad av U of T Engineering forskare tar dem ett steg närmare artificiell fotosyntes – ett system som, precis som växter, skulle använda förnybar energi för att omvandla koldioxid (CO2) till lagrad kemisk energi. Genom att både fånga upp koldioxidutsläpp och lagra energi från sol- eller vindkraft, uppfinningen ger ett slag i kampen mot klimatförändringar.

"Kolavskiljning och förnybar energi är två lovande tekniker, men det finns problem, "säger Phil De Luna, en av huvudförfattarna till ett papper publicerat idag Naturkemi . "Kolavskiljningsteknik är dyr, och sol- och vindkraft är intermittent. Du kan använda batterier för att lagra energi, men ett batteri kommer inte att driva ett flygplan över Atlanten eller värma ett hem hela vintern:för det behöver du bränslen. "

De Luna och hans medförfattare Xueli Zheng och Bo Zhang – som utförde sitt arbete under överinseende av professor Ted Sargent – ​​siktar på att ta itu med båda utmaningarna samtidigt, och de söker naturen efter inspiration. De designar ett konstgjort system som efterliknar hur växter och andra fotosyntetiska organismer använder solljus för att omvandla CO2 och vatten till molekyler som människor senare kan använda som bränsle.

Som i växter, deras system består av två sammanlänkade kemiska reaktioner:en som delar H2O till protoner och syrgas, och en annan som omvandlar CO2 till kolmonoxid, eller CO (CO kan sedan omvandlas till kolvätebränslen genom en etablerad industriell process som kallas Fischer-Tropsch-syntes.)

"Under de senaste åren, vårt team har utvecklat mycket högpresterande katalysatorer för både den första och den andra reaktionen, säger Zhang, som bidrog till arbetet medan han var postdoktor vid U of T och nu är professor vid Fudan University. "Men medan den andra katalysatorn fungerar under neutrala förhållanden, den första katalysatorn kräver höga pH-nivåer för att vara mest aktiv."

Det betyder att när de två kombineras, den övergripande processen är inte så effektiv som den skulle kunna vara, eftersom energi går förlorad när laddade partiklar flyttas mellan de två delarna av systemet.

Teamet har nu övervunnit detta problem genom att utveckla en ny katalysator för den första reaktionen - den som delar vatten i protoner och syrgas. Till skillnad från den tidigare katalysatorn, den här fungerar vid neutralt pH, och under dessa förhållanden presterar den bättre än någon annan katalysator som tidigare rapporterats.

"Den har en låg överpotential, vilket innebär att mindre elektrisk energi behövs för att driva reaktionen framåt, säger Zheng, som nu är postdoktor vid Stanford University. "Dessutom, att ha en katalysator som kan arbeta vid samma neutrala pH som CO2-omvandlingsreaktionen minskar cellens totala potential."

I tidningen, teamet rapporterar systemets totala el-till-kemiska effektkonverteringseffektivitet på 64 procent. Enligt De Luna, detta är det högsta värdet som någonsin uppnåtts för ett sådant system, inklusive deras tidigare, som bara nådde 54 procent.

Den nya katalysatorn är gjord av nickel, järn, kobolt och fosfor, alla element som är billiga och utgör få säkerhetsrisker. Det kan syntetiseras vid rumstemperatur med hjälp av relativt billig utrustning, och teamet visade att det förblev stabilt så länge de testade det, totalt 100 timmar.

Beväpnad med sin förbättrade katalysator, Sargent-labbet arbetar nu med att bygga sitt artificiella fotosyntessystem i pilotskala. Målet är att fånga upp CO2 från rökgaser, t.ex. från ett naturgasförbränningskraftverk-och använd det katalytiska systemet för att effektivt omvandla det till flytande bränslen.

"Vi måste bestämma de rätta driftsförhållandena:flödeshastighet, koncentration av elektrolyt, elektrisk potential, " säger De Luna. "Från och med nu, allt är ingenjörskonst."

Laget och deras uppfinning är semifinalister i NRG COSIA Carbon XPRIZE, en utmaning på 20 miljoner dollar för att "utveckla banbrytande teknik som kommer att omvandla CO?-utsläpp från kraftverk och industrianläggningar till värdefulla produkter."

Projektet var resultatet av ett internationellt och tvärvetenskapligt samarbete. Den kanadensiska ljuskällan i Saskatchewan tillhandahöll de högenergiröntgenstrålar som användes för att undersöka katalysatorns elektroniska egenskaper. Molecular Foundry vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory gjorde teoretiskt modelleringsarbete. Finansiellt stöd och naturastöd gavs av Naturvetenskapliga och tekniska forskningsrådet, Canada Foundation for Innovation, Tianjin universitet, Fudan University och Beijings ljuskälla.

Vad som har hållit honom motiverad under hela projektet, De Luna pekar på möjligheten att påverka några av samhällets största miljöutmaningar.

"Att se den snabba utvecklingen inom området har varit extremt spännande, " säger han. "Vid varje vecko- eller månadskonferens som vi har i vårt labb, människor slår rekord till vänster och höger. Det finns fortfarande mycket utrymme att växa, men jag gillar verkligen forskningen, och koldioxidutsläpp är en så stor sak att varje förbättring känns som en verklig prestation."