Föreställ dig en dag då – i stället för att spys ut i atmosfären – de gaser som kommer från kraftverk och tung industri istället fångas upp och matas in i katalytiska reaktorer som kemiskt omvandlar växthusgaser som koldioxid till industriella bränslen eller kemikalier och som bara avger syre.

Det är en framtid som Haotian Wang säger kan vara närmare än vad många inser.

Fellow vid Rowland Institute vid Harvard, Wang och kollegor har utvecklat ett förbättrat system för att använda förnybar el för att reducera koldioxid till kolmonoxid - en nyckelvara som används i ett antal industriella processer. Systemet beskrivs i en tidning den 8 november publicerad i Joule , en nylanserad systertidning till Cell press.

"Den mest lovande idén kan vara att koppla dessa enheter till koleldade kraftverk eller annan industri som producerar mycket CO ₂ , " Sa Wang. "Omkring 20 procent av dessa gaser är CO ₂ , så om du kan pumpa in dem i den här cellen...och kombinera den med ren elektricitet, då kan vi potentiellt producera användbara kemikalier ur dessa avfall på ett hållbart sätt, och till och med nära en del av den CO ₂ cykel."

Det nya systemet, Wang sa, representerar ett dramatiskt steg framåt från det som han och hans kollegor först beskrev i en artikel från 2017 i Chem.

Där det gamla systemet knappt var lika stort som en mobiltelefon och förlitade sig på två elektrolytfyllda kamrar, som var och en höll en elektrod, det nya systemet är billigare och förlitar sig på höga koncentrationer av CO ₂ gas och vattenånga för att fungera mer effektivt – bara en 10 x 10 centimeter cell, Wang sa, kan producera så mycket som fyra liter CO per timme.

Det nya systemet, Wang sa, tar itu med de två huvudutmaningarna – kostnad och skalbarhet – som ansågs begränsa det initiala tillvägagångssättet.

"I det tidigare arbetet, vi hade upptäckt katalysatorerna med en enda nickelatom som är mycket selektiva för att reducera CO ₂ till CO...men en av utmaningarna vi stod inför var att materialen var dyra att syntetisera, " Sa Wang. "Stödet vi använde för att förankra enskilda nickelatomer var baserat på grafen, vilket gjorde det mycket svårt att skala upp om man ville producera den i gram- eller till och med kilogramskala för praktisk användning i framtiden."

För att lösa det problemet, han sa, hans team vände sig till en kommersiell produkt som är tusentals gånger billigare än grafen som ett alternativt stöd – kolsvart.

Att använda en process som liknar elektrostatisk attraktion, Wang och kollegor kan absorbera enskilda nickelatomer (positivt laddade) till defekter (negativt laddade) i kimrök nanopartiklar, varvid det resulterande materialet är både billigt och mycket selektivt för CO ₂ minskning.

"Just nu, det bästa vi kan producera är gram, men tidigare kunde vi bara producera milligram per batch, " Wang sa. "Men detta begränsas bara av den syntesutrustning vi har; om du hade en större tank, du kan göra kilogram eller ton ton av den här katalysatorn."

Den andra utmaningen Wang och kollegor hade att övervinna var kopplad till det faktum att det ursprungliga systemet bara fungerade i en flytande lösning.

Det ursprungliga systemet fungerade genom att använda en elektrod i en kammare för att dela upp vattenmolekyler till syre och protoner. När syret bubblade bort, protoner som leds genom den flytande lösningen skulle flytta in i den andra kammaren, där de – med hjälp av nickelkatalysatorn – skulle binda med CO ₂ och bryta isär molekylen, lämnar CO och vatten. Det vattnet kunde sedan matas tillbaka in i den första kammaren, där den skulle delas igen, och processen skulle börja igen.

"Problemet var att kompaniet ₂ vi kan minska i det systemet är endast de lösta i vatten; de flesta av molekylerna som omgav katalysatorn var vatten, " sade han. "Det fanns bara en spårmängd av CO ₂ , så det var ganska ineffektivt."

Även om det kan vara frestande att helt enkelt öka spänningen som appliceras på katalysatorn för att öka reaktionshastigheten, som kan få den oavsiktliga konsekvensen att vatten spjälkas, minskar inte CO ₂ , sa Wang.

"Om du utarmar CO ₂ som är nära elektroden, andra molekyler måste diffundera till elektroden, och det tar tid, " sa Wang. "Men om du ökar spänningen, det är mer troligt att det omgivande vattnet kommer att ta den möjligheten att reagera och delas upp i väte och syre."

Lösningen visade sig vara relativt enkel – att undvika att vatten spjälkas, teamet tog katalysatorn ur lösningen.

"Vi ersatte det flytande vattnet med vattenånga, och mata in högkoncentrerad CO ₂ gas, " sa han. "Så om det gamla systemet var mer än 99 procent vatten och mindre än 1 procent CO ₂ , nu kan vi helt vända på det, och pumpa 97 procent CO ₂ gas och endast 3 procent vattenånga in i detta system. Innan det flytande vattnet också fungerar som jonledare i systemet, och nu använder vi istället jonbytarmembran för att hjälpa joner att röra sig utan flytande vatten.

"Konsekvensen är att vi kan leverera en storleksordning högre strömtäthet, " fortsatte han. "Tidigare, vi arbetade med ungefär tio milliampere per kvadratcentimeter, men idag kan vi enkelt rampa upp till 100 milliampere."

Går framåt, Wang sa, systemet har fortfarande utmaningar att övervinna – särskilt relaterade till stabilitet.

"Om du vill använda detta för att göra en ekonomisk eller miljömässig inverkan, den behöver ha en kontinuerlig verksamhet på tusentals timmar, " sa han. "Just nu, vi kan göra detta i tiotals timmar, så det finns fortfarande ett stort gap, men jag tror att de problemen kan lösas med mer detaljerad analys av både CO ₂ reduktionskatalysator och vattenoxidationskatalysator."

I sista hand, Wang sa, dagen kan komma då industrin kommer att kunna fånga CO ₂ som nu släpps ut i atmosfären och omvandlar det till användbara produkter.

"Kolmonoxid är inte en särskilt högvärdig kemisk produkt, " sa Wang. "För att utforska fler möjligheter, min grupp har också utvecklat flera kopparbaserade katalysatorer som ytterligare kan minska CO ₂ till produkter som är mycket mer värdefulla."

Wang krediterade friheten han åtnjöt på Rowland Institute för att ha hjälpt till att leda till genombrott som det nya systemet.

"Rowland har gett mig, som tidig karriärforskare, en bra plattform för oberoende forskning, som initierar en stor del av forskningsriktningarna som min grupp kommer att fortsätta driva framåt, sa Wang, som nyligen tackade ja till en tjänst vid Rice University. "Jag kommer definitivt att sakna mina dagar här."