Tänk om vi kunde ta CO2, den mest ökända för växthusgaser, och omvandla det till något användbart. Något som plast, till exempel. De positiva effekterna kan bli dramatiska, både avleda CO2 från atmosfären och minska behovet av fossila bränslen för att tillverka produkter.

En grupp forskare, leds av University of Toronto Ted Sargent-gruppen, publicerade just resultat som för denna möjlighet mycket närmare.

Genom att använda den kanadensiska ljuskällan och en ny teknik exklusivt för anläggningen, de kunde peka ut de förhållanden som omvandlar CO2 till eten mest effektivt. Eten, i tur och ordning, används för att tillverka polyeten – den vanligaste plasten som används idag – vars årliga globala produktion är cirka 80 miljoner ton.

"Det här experimentet kunde inte ha utförts någon annanstans i världen, och vi är nöjda med resultaten", säger U of T Ph.D.-student Phil De Luna, huvudforskaren i detta projekt.

Vetenskapen

Kärnan i detta arbete är koldioxidreduktionsreaktionen, varvid CO2 omvandlas till andra kemikalier genom användning av en elektrisk ström och en kemisk reaktion, med hjälp av en katalysator.

Många metaller kan fungera som katalysatorer i denna typ av reaktion:guld, silver och zink kan göra kolmonoxid, medan tenn och paladium kan göra formiat. Endast koppar kan producera eten, kärnkomponenten i polyetenplast.

"Koppar är lite av en magisk metall. Det är magi eftersom det kan göra många olika kemikalier, som metan, eten, och etanol, men det är svårt att kontrollera vad det gör, säger De Luna.

Det är precis vad lagets resultat adresserar, dock. De kunde designa en katalysator och peka ut de idealiska förhållandena för att maximera etenproduktionen, samtidigt som metanproduktionen minimeras till nästan ingenting.

Parat med kolfångningsteknik, detta kan leda till en otroligt grön produktionsmekanism för vardaglig plast, samtidigt binder skadliga växthusgaser.

"Jag tror att framtiden kommer att vara fylld av teknologier som skapar värde av avfall. Det är spännande eftersom vi arbetar för att utveckla nya och hållbara sätt att möta framtidens energibehov, säger De Luna.

Innovativa tekniker och serendipity

En unik utrustning utvecklad av CLS seniorforskare Tom Regier gjorde det möjligt för forskarna att studera både morfologin, eller form, och den kemiska miljön för deras kopparkatalysator under hela CO2-reduktionsreaktionen, i realtid.

"Det här har aldrig gjorts förut, " säger doktorand Rafael Quintero-Bermudez, tidningens andra första medförfattare. "Denna unika mätning gjorde det möjligt för oss att utforska många forskningsfrågor om hur processen äger rum och hur den kan konstrueras för att förbättras."

Genom att identifiera de exakta förhållandena som maximerar etenproduktionen under reaktionen, det är möjligt att konstruera en katalysator för att uppfylla dessa villkor.

Quintero-Bermudez och De Luna närmade sig slutet av sin tilldelade forskningstid vid CLS när nyckelresultaten kom. Efter otaliga timmars arbete, och många misslyckade försök, experimentet fungerade.

"Vi var på väg att ge upp, men när resultaten kom, de var så bra att vi var tvungna att sätta oss ner. Riktigt vackra resultat, säger Quintero-Bermudez.

Regier var lika nöjd med arbetet.

"Vi arbetar ständigt med att utveckla fler och bättre verktyg för forskarsamhället att använda. Det är givande när man ser verktygen användas för att lösa viktiga problem med betydande tillämpningar, säger Regier.

Kvaliteten på resultaten talar för sig själv. De var bland de första forskningen som publicerades i den helt nya Natur familjedagbok Naturkatalys .