Dramatiska förbättringar har gjorts i processen att omvandla koldioxid, en växthusgas, till metanol, ett bränsle och byggsten för ett brett utbud av vardagliga material, enligt Penn State-forskare.

Koncentrationerna av koldioxid i atmosfären ökar och klimatförändringarna blir ett globalt bekymmer som kräver globala ansträngningar för att minska koldioxidutsläppen. Ett tillvägagångssätt är att använda koldioxid som kolkälla i reaktioner med väte, där vätgas framställs av vatten med förnybar energi, och reaktionen syntetiserar metanol. Detta kommer att bidra till att minska koldioxidutsläppen och minska beroendet av fossila bränslen.

Forskare har avancerat processen att omvandla koldioxid till metanol, som innehåller fyra delar väte, en del syre och en del kol, genom att utveckla en ny katalysator som använder en specifik formulering av palladium och koppar. Det teoretiska och experimentella arbetet, nyligen publicerad i ACS-katalys , är resultatet av år av integrerad experimentell och beräkningsforskning utförd i ett partnerskap med Dalian University of Technology i Kina i samarbete med Penn State-Dalian Joint Center for Energy Research. Penn State-Dalian samarbetsforskning grävde fram fördelarna med att kombinera de två metallerna som katalysator.

En nyckelfaktor för att omvandla koldioxid till metanol är att hitta en bra katalysator så att metanol kan produceras med hög selektivitet i en effektiv takt. I atomförhållandet palladium-till-koppar intervallet 0,3 till 0,4, kombination av palladium och koppar gav den mest effektiva omvandlingen av metanol från koldioxid med användning av nanopartiklar av katalysatorn dispergerade på ett poröst bärarmaterial som ökade katalysatorns yta. Med en katalysator lika stor som en valnöt, Katalysatorns inre yta skulle täcka ungefär området för en fotbollsplan.

Forskare fann att de nya formuleringarna, använder det exakta atomförhållandet mellan de två metallerna, ökade metanolbildningshastigheten med tre gånger över palladium enbart och med fyra gånger över enbart koppar, representerar en betydande förbättring jämfört med tidigare metoder.

Chunshan Song, framstående professor i bränslevetenskap, professor i kemiteknik och chef för Earth and Mineral Sciences (EMS) Energy

Inleda, liknade processen vid att en katt fångar en mus på ytan av en katalysator. För att konverteringen ska ske, du behöver både koldioxid – katten – och väte – musen. Men du måste skapa de idealiska förutsättningarna för att katten ska lyckas fånga musen. Om katten inte kan nå musen, eller förhållanden saktar ner, katten har mindre framgång.

Detta fungerar eftersom katalysatorn som kombinerar två metaller inte bara kan sänka de energimässiga kraven för att påskynda reaktionen av koldioxid och väte, men ändrar också reaktionsvägarna för att producera mer önskad produkt med högre energieffektivitet.

"Konventionella studier fokuserade på koppar men det ger inte effektiva resultat, " sa Song. "Det är samma sak för palladium. Men att sätta ihop palladium och koppar skapar en unik ytstruktur som visar en speciell selektivitet för att skapa metanol från koldioxid. Den här studien ger grundläggande insikter om de mycket synergetiska effekterna av att använda dessa två metaller tillsammans."

För att skapa metanol, forskare pumpade väte och koldioxid in i en förseglad kammare i ett reaktorkärl packat med katalysatorn och värmde upp innehållet till mellan 356 och 482 grader Fahrenheit. Den maximala omvandlingen av koldioxid till metanol är cirka 24 procent, men den oomvandlade koldioxiden och vätet kommer att återvinnas och återföras till kärlet i en industriell miljö, ungefär som vad som görs i konventionell metanolsyntes med kolmonoxid och väte.

Koldioxidhydreringsprocessen fungerar genom att vatten sönderdelas för att skapa en vätgas med förnybar energi, som sedan binder till koldioxiden på ytan av katalysatorn för att skapa metanol. Song sa att eftersom deras katalysator uppmuntrar hög selektivitet går en större andel av produkterna till att skapa metanol.

Metanol används för att skapa många material och bränslen, från lim och plywoodundergolv till vattenflaskor, skrynkliga skjortor och dieselbränslen. Det är också en kemikalie som används för att göra frostskyddsmedel, spolarvätska, lösningsmedel och andra produkter. Nya katalysatorer för att omvandla koldioxid till ett antal industriellt användbara kemikalier, bränslen, och material som plast utvecklas aktivt av Song genom Penn State-Dalian Joint Center for Energy Research.

Song sa att att effektivt skapa bränslen och industriella kemikalier från koldioxid med förnybar energi anses vara den heliga gralen för att bekämpa klimatförändringarna eftersom bränslena är ännu bättre än koldioxidneutrala eller förnybara bränslen. Processen omvandlar i huvudsak växthusgaser till bränslen som släpper ut koldioxid vid förbränning. Denna process, i kombination med avskiljning av koldioxid från miljön, går ut på att återvinna koldioxid istället för att skapa eller undvika den.

"Vårt nuvarande energisystem bygger till stor del på kolbaserad fossil energi, " sa Song. "Även förnybara bränslen som biomassa, biogas och organiskt avfall, de är alla kolbaserade. Men i framtiden, var kommer kol ifrån? Om vi ​​börjar använda kol från koldioxid, vi kan återvinna det, skapa en hållbar kolbaserad energicykel, och sedan stabiliserar vi koldioxidkoncentrationen i atmosfären. Det är därför jag brinner för det här."