Föreställ dig att få tag i koldioxid från bilavgasrör och andra källor och förvandla denna huvudsakliga växthusgas till bränslen som naturgas eller propan:en hållbarhetsdröm som går i uppfyllelse.

Flera nyare studier har visat viss framgång i denna omvandling, men en ny metod från Stanford Universitys ingenjörer ger fyra gånger mer etan, propan och butan än befintliga metoder som använder liknande processer. Även om det inte är ett klimatbotemedel, framsteg kan avsevärt minska den kortsiktiga inverkan på den globala uppvärmningen.

"Man kan föreställa sig ett kolneutralt kretslopp som producerar bränsle från koldioxid och sedan bränner det, skapa ny koldioxid som sedan omvandlas till bränsle, sa Matteo Cargnello, en biträdande professor i kemiteknik vid Stanford som ledde forskningen, publiceras i Angewandte Chemie .

Även om processen fortfarande bara är en labbbaserad prototyp, forskarna förväntar sig att den skulle kunna byggas ut tillräckligt för att producera användbara mängder bränsle. Mycket arbete återstår, dock, innan genomsnittskonsumenten kommer att kunna köpa produkter baserade på sådan teknik. Nästa steg inkluderar att försöka minska skadliga biprodukter från dessa reaktioner, såsom den giftiga föroreningen kolmonoxid. Gruppen utvecklar också sätt att tillverka andra fördelaktiga produkter, inte bara bränslen. En sådan produkt är olefiner, som kan användas i en rad industriella tillämpningar och är huvudingredienserna i plast.

Två steg i ett

Tidigare ansträngningar att omvandla CO ₂ att driva innebar en tvåstegsprocess. Det första steget minskar CO ₂ till kolmonoxid, sedan kombinerar den andra CO med väte för att göra kolvätebränslen. Det enklaste av dessa bränslen är metan, men andra bränslen som kan produceras inkluderar etan, propan och butan. Etan är en nära släkting till naturgas och kan användas industriellt för att tillverka eten, en föregångare till plast. Propan används ofta för att värma hem och driva gasolgrillar. Butan är ett vanligt bränsle i tändare och kaminer.

Cargnello trodde att det skulle vara mycket effektivare att slutföra båda stegen i en enda reaktion, och satte igång med att skapa en ny katalysator som samtidigt kunde avlägsna en syremolekyl från CO ₂ och kombinera det med väte. (Katalysatorer inducerar kemiska reaktioner utan att själva förbrukas i reaktionen.) Teamet lyckades genom att kombinera rutenium- och järnoxidnanopartiklar till en katalysator.

"Denna rutheniumklump sitter i kärnan och är inkapslad i en yttre mantel av järn, sa Aisulu Aitbekova, doktorand i Cargnellos labb och huvudförfattare till uppsatsen. "Denna struktur aktiverar kolvätebildning från CO ₂ . Det förbättrar processen från början till slut."

Teamet ville inte skapa den här kärnskalsstrukturen utan upptäckte den genom samarbete med Simon Bare, framstående stabsforskare, och andra vid SLAC National Accelerator Laboratory. SLAC:s sofistikerade teknik för röntgenkarakterisering hjälpte forskarna att visualisera och undersöka strukturen på deras nya katalysator. Utan detta samarbete, Cargnello sa att de inte skulle ha upptäckt den optimala strukturen.

"Det var då vi började konstruera det här materialet direkt i en kärna-skal-konfiguration. Sedan visade vi att när vi väl gjorde det, kolväteutbytena förbättras enormt, " sade Cargnello. "Det är något med strukturen specifikt som hjälper reaktionerna."

Cargnello tror att de två katalysatorerna agerar på ett tag-team sätt för att förbättra syntesen. Han misstänker att rutenium gör väte kemiskt redo att binda till kolet från CO ₂ . Vätet rinner sedan ut på järnskalet, vilket gör koldioxiden mer reaktiv.

När gruppen testade sin katalysator i labbet, de fann att utbytet för bränslen som etan, propan och butan var mycket högre än deras tidigare katalysator. Dock, gruppen står fortfarande inför några utmaningar. De skulle vilja minska användningen av ädelmetaller som rutenium, och optimera katalysatorn så att den selektivt endast kan tillverka specifika bränslen.