Vilken dag som helst, mer än 2 miljoner pund koldioxid pumpas ut i atmosfären från fabriker, utsläpp från bilar och lastbilar och förbränning av kol och naturgas för att generera el.

För många, det är en anledning till miljöoro, men för Haotian Wang, det är den perfekta råvaran.

Fellow vid Rowland Institute vid Harvard, Wang och hans forskargrupp har utvecklat ett system som använder förnybar elektricitet för att elektrokemiskt omvandla koldioxid till kolmonoxid - en nyckelvara som används i hur många industriella processer som helst. Energiomvandlingseffektiviteten från solljus till CO kan vara så hög som 12,7 %, mer än en storleksordning högre än naturlig fotosyntes. Enheten beskrivs i en nyligen publicerad tidning i Chem .

"I grund och botten, vad detta är är en form av artificiell fotosyntes, " sa Wang. "I en växt, solljus, CO2 och vatten blir till socker och syre. I vårt system, ingången är solljus, CO2 och vatten, och vi producerar CO och syre."

Den reaktionen äger rum i en anspråkslös enhet, knappt lika stor som en smartphone, som inkluderar två elektrolytfyllda kammare separerade av ett jonbytarmembran.

På en plats, en elektrod som drivs av förnybar energi oxiderar vattenmolekyler till syrgas och frigör protoner. Dessa protoner flyttar till den andra kammaren där de - med hjälp av en noggrant utformad enkelatomsmetallkatalysator - binder till koldioxidmolekyler, skapar vatten och kolmonoxid.

"Utmaningen är att de flesta katalysatorer som är kända tenderar att producera vätgas, " sa Wang. "Så det är svårt, när du delar vatten, för att förhindra dessa protoner från att kombineras för att bilda vätgas. Vad vi behövde var en katalysator som kan förhindra väteutveckling och istället effektivt injicera dessa protoner i CO2, därför uppnå en hög selektivitet för CO2-minskning."

Tyvärr, de två mest kända sådana katalysatorerna är guld och silver - ädelmetaller som är mycket kostsamma för att göra reaktionen kostnadseffektiv i stor skala.

"Så vi började med att titta på lågkostnadsmaterial som nickel, järn och kobolt, som alla är rikliga på jorden, "Kun Jiang sa, som är postdoktor i Wang-gruppen och den första författaren till detta arbete. "Men problemet är att de alla är mycket bra vätekatalysatorer, så de vill producera vätgas.

Dessutom, de kan alla mycket lätt bli förgiftade av kolmonoxid, ", tillade han. "Även om du lyckas använda dem för att minska CO2, den resulterande CO binder mycket starkt till ytan, förhindra ytterligare reaktioner."

För att lösa dessa problem, Wang och hans Stanford-kollegor, Prof. Yi Cui och Prof. Jens Nørskov, satte igång att arbeta med att "justera" metallernas elektroniska egenskaper. Dr Samira Siahrostami, en forskare från Prof. Nørskov-gruppen rationaliserade naturen hos aktiva platser genom modellering i atomskala och upptäckte att spridning av nickelmetaller till isolerade enstaka atomer, som är fångade i vakanser i grafen, producerade ett material som var ivrigt att reagera med koldioxid och som var villigt att släppa ut den resulterande kolmonoxiden.

Den där kolmonoxiden, Wang sa, kan sedan användas i en mängd industriella processer.

"Kolmonoxid är en mycket viktig industriprodukt, " Wang sa. "Det kan användas i plastproduktion, för att tillverka kolväteprodukter eller kan brännas som bränsle själv. Det används flitigt inom industrin."

I sista hand, fastän, förhoppningen är att systemet en dag skulle kunna skalas upp tillräckligt för att skrubba koldioxid från atmosfären i ett försök att bekämpa globala klimatförändringar.

"Grundtanken var om vi kan fånga upp befintlig CO2 och använda förnybar el, från sol- eller vindkraft, för att reducera det till användbara kemikalier, "Wang sa, "då kan vi möjligen bilda en kolslinga."