Ett team av forskare från National University of Singapore (NUS) har utvecklat en prototypenhet som efterliknar naturlig fotosyntes för att producera etylengas med enbart solljus, vatten och koldioxid. Den nya metoden, som producerar eten vid rumstemperatur och tryck med hjälp av godartade kemikalier, skulle kunna skalas upp för att ge ett mer miljövänligt och hållbart alternativ till den nuvarande metoden för etenproduktion.

Denna utveckling ledd av biträdande professor Jason Yeo Boon Siang från Institutionen för kemi vid NUS Faculty of Science och Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS) publicerades först i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften ACS Sustainable Chemistry &Engineering.

Utmaningar för den nuvarande produktionen av eten

Eten, som är byggstenen i polyeten, är ett viktigt kemiskt råmaterial som produceras i stora mängder för tillverkning av plast, gummi och fibrer. Mer än 170 miljoner ton eten producerades över hela världen bara under 2015, och den globala efterfrågan förväntas överstiga 220 miljoner ton år 2020.

Nuvarande industriell produktion av eten använder ångkrackning av fossila bränslen vid mellan 750°C till 950°C, som förbrukar en stor mängd energi och utgör en påfrestning på naturliga bränsleresurser. Den nuvarande metoden lämnar också ett betydande koldioxidavtryck, släpper ut cirka två ton koldioxid för varje ton eten som produceras. Som sådan, det finns en växande efterfrågan på ett renare och mer hållbart sätt att producera eten.

Anta artificiell fotosyntes

Som erkänner behovet av en mer miljövänlig metod, Asst Prof Yeo och hans team utnyttjade förnybar energi för att producera eten. Teamet designade först en kopparkatalysator 2015 som kunde generera eten från lättillgängligt vatten och koldioxid när den drivs av el. Denna kopparkatalysator infördes därefter i ett artificiellt fotosyntessystem för att omvandla koldioxid och vatten till eten med enbart solenergi. Prototypen som utformats för att utföra reaktionen uppnådde en faradaisk effektivitet på 30 procent av eten baserat på mängden elektroner som genererades från solenergi. Den totala energieffektiviteten för sol-till-eten är också jämförbar med nivån av energieffektivitet för naturlig fotosyntes av växter.

"Kolavskiljning är ett nyckelsteg i att bekämpa mänskligt drivna klimatförändringar. Det har skett en stadig ökning av atmosfärens koncentration av koldioxid, eftersom takten för koldioxidutsläppen överstiger koldioxidavskiljningen. Detta har beskrivits som en viktig orsak till global uppvärmning som leder till oönskade miljöförändringar. Vår enhet använder inte bara en helt förnybar energikälla, men omvandlar också koldioxid, en växthusgas till något användbart. Detta kan potentiellt stänga kolkretsloppet, sa Prof Yeo.

Teamet införlivade också ett batteri i prototypen för att uppnå stabil och kontinuerlig produktion av eten, en viktig utmaning i artificiella fotosyntessystem. Batteriet lagrar överskott av solenergi som samlats in under dagen för att driva enheten på natten eller under svagt ljus, se till att verksamheten inte avbryts av varierande mängd solljus under dagen.

Uppfinningen markerar en betydande milstolpe i förverkligandet av ett skalbart artificiellt fotosyntessystem för ren och hållbar produktion av viktiga organiska molekyler som etylen.

Går vidare, teamet kommer att fortsätta arbeta på sin enhet för att skala upp produktionen av eten samt använda liknande system för att producera flytande bränslen som etanol och propanol.