En ny teknik från U of T Engineering tar ett stort steg mot att göra det möjligt för tillverkare att skapa plast av två nyckelingredienser:solsken och föroreningar.

I dag, icke-förnybara fossila bränslen utgör inte bara råvaran som plasten tillverkas av, de är också bränslet som förbränns för att driva tillverkningsprocessen, producerar klimatvärmande koldioxid (CO ₂ )—Internationella energiorganet uppskattar att produktionen av de viktigaste prekursorerna för plast står för 1,4 procent av den globala koldioxiden ₂ utsläpp.

Ett team som leds av professorn Ted Sargent vid University of Toronto vänder denna process på huvudet. De föreställer sig att fånga CO ₂ produceras av andra industriella processer och använder förnybar el – som solenergi – för att omvandla den till eten. Eten är en vanlig industriell kemikalie som är en föregångare till många plaster, som de som används i matkassar.

Systemet tar itu med en viktig utmaning i samband med avskiljning av koldioxid. Medan det finns teknik för att filtrera och utvinna CO ₂ från rökgaser, ämnet har för närvarande ett litet ekonomiskt värde som kan kompensera kostnaderna för att fånga det – det är ett förslag som går förlorat. Genom att omvandla detta kol till en kommersiellt värdefull produkt som eten, Teamet syftar till att öka incitamenten för företag att investera i teknik för koldioxidavskiljning.

Kärnan i teamets lösning är två innovationer:att använda en kontraintuitivt tunn kopparbaserad katalysator och en omarbetad experimentell strategi.

"När vi utförde CO ₂ omvandling till eten i mycket basiska medier, vi fann att vår katalysator förbättrade både energieffektiviteten och selektiviteten för omvandlingen till de högsta nivåer som någonsin registrerats, " sa postdoktor Dr. Cao-Thang Dinh, den första författaren på tidningen som publicerades i dag i tidskriften Vetenskap . I detta sammanhang, effektivitet innebär att det krävs mindre el för att genomföra omvandlingen. Författarna använde sedan denna kunskap för att ytterligare förbättra katalysatorn och driva reaktionen för att gynna bildningen av eten, till skillnad från andra ämnen.

Nästa, teamet tog upp stabilitet, vilket länge har varit en utmaning med den här typen av kopparbaserade katalysatorer. Teoretisk modellering visar att grundläggande förutsättningar – dvs. höga pH-nivåer – är idealiska för att katalysera CO ₂ till eten. Men under dessa förhållanden, de flesta katalysatorer, och deras stöd, gå sönder efter mindre än 10 timmar.

Teamet övervann denna utmaning genom att ändra sin experimentuppställning. Väsentligen, de avsatte sin katalysator på ett poröst stödskikt av polytetrafluoreten (PTFE, mer känd som teflon) och klämde sin katalysator med kol på andra sidan. Denna nya installation skyddar stödet och katalysatorn från att försämras på grund av den grundläggande lösningen, och gör att den håller 15 gånger längre än tidigare katalysatorer. Som en extra bonus, denna inställning förbättrade också effektiviteten och selektiviteten ytterligare.

"Under de senaste decennierna, vi har vetat att det skulle hjälpa att driva denna reaktion under grundläggande förhållanden, men ingen visste hur man skulle dra fördel av den kunskapen och överföra den till ett praktiskt system, " säger Dinh. "Vi har visat hur man kan övervinna den utmaningen."

För närvarande är deras system kapabelt att utföra omvandlingen i laboratorieskala, producera flera gram eten åt gången. Teamets långsiktiga mål är att skala upp tekniken till den punkt där de kan omvandla de många ton kemikalier som behövs för kommersiell tillämpning.

"Vi gjorde tre samtidiga framsteg i detta arbete:selektivitet, energieffektivitet och stabilitet, " säger Sargent. "Som en grupp, vi är starkt motiverade att utveckla teknologier som hjälper oss att förverkliga den globala utmaningen med en koldioxidneutral framtid."

Den multidisciplinära gruppen, som också inkluderar maskinteknikprofessor David Sinton, kombinerar styrkor inom materialvetenskap, kemiteknik, kemi och maskinteknik, ger nya perspektiv på området. Flera medlemmar är också involverade i CERT, University of Toronto-teamet som precis gick vidare till den sista omgången av NRG COSIA Carbon XPRIZE. Carbon XPRIZE-tävlingen utmanar grupper från industri och akademi att fånga upp koldioxidutsläpp från kraftverk och effektivt omvandla dem till värdefulla kemiska produkter.