I årtionden, forskare har sökt efter effektiva sätt att ta bort överskott av koldioxidutsläpp från luften, och återvinna dem till produkter som förnybara bränslen. Men processen att omvandla koldioxid till användbara kemikalier är tråkig, dyr, och slösaktiga och därmed inte ekonomiskt eller miljömässigt lönsamma.

Nu visar en upptäckt av forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) att återvinning av koldioxid till värdefulla kemikalier och bränslen kan vara ekonomiskt och effektivt – allt genom en enda kopparkatalysator .

Verket visas i 17 december-upplagan av tidskriften Naturkatalys .

Gå dit åtgärden är:produktspecifika aktiva webbplatser

När du tar en bit kopparmetall, det kan kännas smidigt vid beröring, men på mikroskopisk nivå, ytan är faktiskt ojämn – och dessa gupp är vad forskare kallar "aktiva platser, sa Joel Ager, en forskare vid JCAP som ledde studien. Ager är en stabsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och adjungerad professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley.

Dessa aktiva platser är där magin med elektrokatalys äger rum:elektroner från kopparytan interagerar med koldioxid och vatten i en sekvens av steg som omvandlar dem till produkter som etanolbränsle; eten, föregångaren till plastpåsar; och propanol, en alkohol som vanligtvis används inom läkemedelsindustrin.

Ända sedan 1980-talet, när koppars talang för att omvandla kol till olika användbara produkter upptäcktes, det antogs alltid att dess aktiva webbplatser inte var produktspecifika – med andra ord, du kan använda koppar som en katalysator för att göra etanol, eten, propanol, eller någon annan kolbaserad kemikalie, men du skulle behöva gå igenom många steg för att separera oönskade, kvarvarande kemikalier som bildas under mellanstadierna av en kemisk reaktion innan de anländer till din slutdestination – den kemiska slutprodukten.

"Målet med "grön" eller hållbar kemi är att få den produkt du vill ha under kemisk syntes, " sa Ager. "Du vill inte skilja saker du inte vill ha från de önskvärda produkterna, eftersom det är dyrt och miljömässigt oönskat. Och dessa kostnader och avfall minskar den ekonomiska bärkraften för kolbaserade solbränslen."

Så när Ager och medförfattaren Yanwei Lum, som var en UC Berkeley Ph.D. student i Agers labb vid tidpunkten för studien, undersökte koppars katalytiska egenskaper för ett solbränsleprojekt, de undrade, "Tänk om, som fotosyntes i naturen, vi skulle kunna använda elektroner från solceller för att driva specifika aktiva platser för en kopparkatalysator för att göra en ren produktström av ett kolbaserat bränsle eller kemikalie?" sa Ager.

Spåra en kemikalies ursprung genom dess "pass"

Tidigare studier har visat att "oxiderad" eller rostig koppar är en utmärkt katalysator för att tillverka etanol, eten, och propanol. Forskarna teoretiserade att om aktiva platser i koppar faktiskt var produktspecifika, de kunde spåra kemikaliernas ursprung genom kolisotoper, "ungefär som ett pass med stämplar som berättar vilka länder de besökte, " sa Ager.

"När vi tänkte på experimentet, vi trodde att detta är en så ouppenbar idé, att det skulle vara galet att prova det, Ager sa. "Men vi kunde inte släppa det, för vi trodde också att det skulle fungera, eftersom vår tidigare forskning med isotoper hade gjort det möjligt för oss att upptäcka nya reaktionsvägar."

Så för de närmaste månaderna, Lum och Ager körde en serie experiment med två isotoper av kol – kol-12 och kol-13 – som "passstämplar". Koldioxid märktes med kol-12, och kolmonoxid – en nyckelmellanprodukt i bildandet av kol-kol-bindningar – märktes med kol-13. Enligt deras metodik, forskarna resonerade att förhållandet mellan kol-13 och kol-12 – den "isotopiska signaturen" – som finns i en produkt skulle avgöra från vilka aktiva platser den kemiska produkten kommer från.

Efter att Lum kört dussintals experiment och använt toppmodern masspektrometri och NMR (kärnmagnetisk resonans) spektroskopi vid JCAP för att analysera resultaten, de fann att tre av produkterna – eten, etanol, och propanol – hade olika isotopiska signaturer som visade att de kom från olika platser på katalysatorn. "Denna upptäckt motiverar framtida arbete för att isolera och identifiera dessa olika platser, "Lum sa. "Att placera dessa produktspecifika platser i en enda katalysator kan en dag resultera i en mycket effektiv och selektiv generering av kemiska produkter, " sa Lum.

Gröna dagar väntar för kemisk tillverkning

Forskarnas nya metodik – vad Ager beskriver som "enkel kemi med en miljömässig och ekonomisk twist" – är vad de hoppas kan bli en ny början för grön kemikalietillverkning där en solcell kan mata elektroner till specifika aktiva platser i en kopparkatalysator för att optimera produktionen av etanolbränslen.

"Kanske en dag skulle den här tekniken kunna göra det möjligt att ha något som ett oljeraffinaderi, men drivs av solen, ta ut koldioxid ur atmosfären och skapa en ström av användbara produkter, " han sa.