Allt fler forskare söker snabbt, kostnadseffektiva sätt att omvandla koldioxidgas till värdefulla kemikalier och bränslen.

Nu, ett internationellt team av forskare har avslöjat ett nytt tillvägagångssätt som använder en serie katalytiska reaktioner för att elektrokemiskt reducera koldioxid till metan, huvudingrediensen i naturgas, eliminera ett mellansteg som vanligtvis behövs i reduktionsprocessen.

"Vi vill leverera förnybar el och ta koldioxid från atmosfären och omvandla den till något annat i ett steg, "sa Bingjun Xu, en biträdande professor i University of Delaware i kemisk och biomolekylär teknik. "Detta är ett viktigt bidrag till denna vision."

Teamets resultat publicerades i tidskriften Naturkommunikation den 26 juli 2019. Två av studieförfattarna är baserade på UD:Xu och postdoktoren Xiaoxia Chang. En annan studieförfattare, Qi Lu från Tsinghua University i Kina, var tidigare postdoktor vid Institutionen för kemisk och biomolekylär teknik vid UD.

Tidningens författare inkluderar också Haochen Zhang från Tsinghua University, Jingguang Chen från Columbia University, William Goddard III från California Institute of Technology och Mu-Jeng Cheng från National Cheng Kung University i Taiwan.

Ett system med en kruka

För att omvandla koldioxid till värdefulla bränslen, du måste börja med en yta av koppar, metallen känd för sin användning i slantar och elektriska ledningar. Koppar kan användas för att reducera koldioxid till kolmonoxid, som sedan kan omvandlas till ämnen som metan. Denna process är relativt enkel, men det kräver två reaktorer och kostsamma separations- och reningssteg.

Forskargruppen använde beräkningar och experiment för att designa ett katalyssystem med en kruka. Tillsätt koldioxid, och en rad kemiska reaktioner kommer att hända utan att behöva stanna och tillsätta fler kemikalier.

Att göra detta, laget lade till speciella nanostrukturerade silverytor, som utvecklades av Lu när han var postdoktor vid UD från 2012 till 2015, till kopparytorna. Silverdelen lockar till kolmonoxidmolekyler, som sedan migrerar till koppardelen och reduceras till metan. Systemet ger en högre koncentration av metan än bara kopparsystem.

"I detta arbete är den främsta nyheten att kombinera dessa två i en konfiguration så att flera reaktionssteg kan inträffa i ett system, "sa Xu." Vi modifierade systematiskt kompositionen, förhållandet silver-till-koppar i strukturen. Det är nyckeln till selektiviteten och förmågan att kombinera reaktionerna. "

Tidigare försök att kombinera koppar med ädelmetall på detta sätt har misslyckats, men gruppen utvecklade en speciell typ av elektrodstruktur som möjliggjorde systemet. Forskningen var resultatet av ett samarbete med forskargrupper som bidrog med spektroskopi, beräkning, och studier av materialens reaktivitet.