Istället för att låta kraftverk och industri slänga ut koldioxid i atmosfären, tillträdande biträdande professorn vid Rice University Haotian Wang har en plan för att omvandla växthusgasen till användbara produkter på ett grönt sätt.

Wang, som kommer att ansluta sig till Rice som William Marsh Rice Trustee Chair och biträdande professor i kemi- och biomolekylär ingenjörsteknik i slutet av detta år, och hans kollegor har gjort små reaktorer som tillåter enskilda nickelatomer att katalysera industriella växthusgaser till kolmonoxid, ett industriellt råmaterial.

För närvarande en fellow vid Rowland Institute vid Harvard, Wang och hans team förbättrade sitt system för att använda förnybar el för att reducera koldioxid till kolmonoxid, en nyckelreaktant i ett antal industriella processer. Systemet beskrivs i en tidning i Joule , en cellpressjournal.

"Den mest lovande idén kan vara att koppla dessa enheter till koleldade kraftverk eller annan industri som producerar mycket koldioxid, " Sa Wang. "Omkring 20 procent av dessa gaser är koldioxid, 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 stänga en del av den koldioxidcykeln."

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

Det systemet var knappt 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 koldioxidgas och vattenånga för att fungera mer effektivt – bara en 10 gånger 10 centimeter cell, Wang sa, kan producera så mycket som fyra liter kolmonoxid i timmen.

Det nya systemet, Wang sa, behandlar de två huvudutmaningarna - kostnad och skalbarhet - som ansågs begränsa det första tillvägagångssättet.

"I det tidigare arbetet, vi hade upptäckt katalysatorerna med en enda nickelatom som är mycket selektiva för att reducera koldioxid till kolmonoxid … 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 koldioxidreduktion.

"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."

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

"Om du vill använda detta för att göra en ekonomisk eller miljömässig inverkan, den behöver ha en kontinuerlig drift 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 koldioxidreduktionskatalysatorn och vattenoxidationskatalysatorn."

I sista hand, Wang sa, dagen kan komma då industrin kommer att kunna fånga upp den koldioxid som nu släpps ut i atmosfären och omvandla den 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 reducera koldioxid till produkter som är mycket mer värdefulla."