Ett forskarlag från U of T Engineering har utvecklat en ny elektrokemisk väg för att transformera CO ₂ till värdefulla produkter som flygbränsle eller plast. Tekniken kan avsevärt förbättra ekonomin för att fånga och återvinna kol direkt från luften.

"I dag, det är tekniskt möjligt att fånga CO ₂ från luft och, genom ett antal steg, konvertera det till kommersiella produkter, " säger professor Ted Sargent som ledde forskargruppen. "Utmaningen är att det tar mycket energi att göra det, vilket höjer kostnaden och sänker incitamentet. Vår strategi ökar den övergripande energieffektiviteten genom att undvika några av de mer energiintensiva förlusterna."

Direkt luftavskiljning av koldioxid är en framväxande teknik där företag strävar efter att producera bränslen eller plast från kol som redan finns i atmosfären, snarare än från fossila bränslen. kanadensiska företaget Carbon Engineering, som har byggt en pilotanläggning i Squamish, FÖRE KRISTUS., fångar CO ₂ genom att tvinga luft genom en alkalisk flytande lösning. Kompaniet ₂ löses i vätskan, bildar ett ämne som kallas karbonat.

För att kunna återvinnas helt, det lösta karbonatet omvandlas normalt tillbaka till CO ₂ gas, och sedan till kemiska byggstenar som ligger till grund för bränslen och plaster. Ett sätt att göra detta är att tillsätta kemikalier som omvandlar karbonatet till ett fast salt. Detta saltpulver värms sedan upp till temperaturer över 900 C för att producera CO ₂ gas som kan genomgå ytterligare omvandlingar. Den energi som krävs för denna uppvärmning driver upp kostnaden för de resulterande produkterna.

U of T Engineering-teamets alternativa metod använder en elektrolysör, en enhet som använder elektricitet för att driva en kemisk reaktion. Efter att tidigare ha använt elektrolysatorer för att producera väte från vatten, de insåg att de också kunde användas för att omvandla löst karbonat direkt tillbaka till CO ₂ , hoppar över mellanvärmningssteget helt.

"Vi använde ett bipolärt membran, en ny elektrolysördesign som är bra på att generera protoner, " säger Geonhui Lee, som tillsammans med postdoktor Y. Chris Li är bland huvudförfattarna till en ny uppsats i ACS Energibrev som beskriver tekniken. "Dessa protoner var precis vad vi behövde för att omvandla karbonatet tillbaka till CO ₂ gas."

Deras elektrolysator innehåller också en silverbaserad katalysator som omedelbart omvandlar CO ₂ produceras till en gasblandning som kallas syngas. Syngas är ett vanligt kemiskt råmaterial för den väletablerade Fischer-Tropsch-processen, och kan lätt förvandlas till en mängd olika produkter, inklusive flygbränsle och plastprekursorer.

"Detta är den första kända processen som kan gå hela vägen från karbonat till syngas i ett enda steg, säger Sargent.

Medan många typer av elektrolysörer har använts för att omvandla CO ₂ till kemiska byggstenar, ingen av dem kan hantera karbonat effektivt. Vidare, det faktum att CO ₂ löst i vätska förvandlas till karbonat så lätt är ett stort problem för befintlig teknik.

"En gång CO ₂ blir till karbonat, det blir otillgängligt för traditionella elektrolysatorer, " säger Li. "Det är en del av anledningen till att de har låg avkastning och låg effektivitet. Vårt system är unikt genom att det uppnår 100 % kolutnyttjande:inget kol går till spillo. Den genererar också syngas som en enda produkt vid utloppet, minimera kostnaden för produktrening."

I labbet, teamet visade förmågan att omvandla karbonat till syngas med en total energieffektivitet på 35 %, och elektrolysatorn förblev stabil under mer än sex dagars drift.

Sargent säger att mer arbete kommer att behövas för att skala upp processen till de nivåer som behövs för industriell tillämpning, men att proof-of-concept-studien visar en gångbar alternativ väg för direkt luftavskiljning och utnyttjande av koldioxid.

"Det går långt för att svara på frågan om det någonsin kommer att vara möjligt att använda luftfångad CO ₂ på ett kommersiellt övertygande sätt, " säger han. "Detta är ett viktigt steg mot att stänga kolslingan."