Forskare från U of T Engineering och Caltech har designat ett nytt och förbättrat system för att effektivt omvandla CO2, vatten, och förnybar energi till eten - föregångaren till ett brett utbud av plastprodukter, från medicinsk utrustning till syntetiska tyger – under neutrala förhållanden. Enheten har potential att erbjuda en kolneutral väg till en vanligt förekommande kemikalie samtidigt som lagringen av avfallskol och överskott av förnybar energi förbättras.

"CO2 har lågt ekonomiskt värde, vilket minskar incitamentet att fånga det innan det kommer ut i atmosfären, " säger professor Ted Sargent, U of T Engineering leder projektet. "Omvandla det till eten, en av de mest använda industrikemikalierna i världen, förändrar ekonomin. Förnybar etylen ger en väg till att förskjuta de fossila bränslen som för närvarande är det primära råvaran för denna kemikalie. "

Förra året, Sargent och hans team publicerade en artikel i Science som beskrev hur de använde en elektrolysör - en enhet som använder elektricitet för att driva en kemisk reaktion - för att omvandla CO2 till eten med rekordeffektivitet. I detta system, de tre reaktanterna, CO2 gas, vatten och el, alla kommer samman på ytan av en kopparbaserad katalysator.

Även om enheten var ett genombrott för teamet, det fanns fortfarande utrymme för förbättringar. Den senaste versionen, beskrivs i en tidning som publicerades idag i Natur , modifierar ytterligare katalysatorn för att förbättra systemets prestanda och sänka dess driftskostnad.

"En av utmaningarna med denna reaktion är att medan en del av CO2 omvandlas till eten, det mesta blir till biprodukter, speciellt karbonat, som löser sig på vätskesidan av elektrolysatorn, "säger postdoktoren Fengwang Li, huvudförfattare till den nya tidningen. "Denna oönskade förlust ökar kostnaden för efterföljande produktseparation och rening."

I det senaste arbetet, Sargents team samarbetade med Caltechs kemiprofessorer Jonas C. Peters och Theodor Agapie. Deras publicerade forskning om en klass av molekyler som kallas arylpyridiniums föreslog att tillsats av dem till katalysatorn kunde gynna produktionen av eten framför andra sidoprodukter.

Med hjälp av teoretiska beräkningar och experiment, de två lagen sållade igenom mer än ett dussin olika typer av arylpyridinium innan de valde ut en. Säker nog, tillsats av ett tunt skikt av denna molekyl till kopparkatalysatorytan ökade signifikant selektiviteten hos reaktionen för eten. Det ledde också till en annan fördel:att sänka arbetsreaktionens pH från basiskt till neutralt.

"Det tidigare systemet krävde att vattensidan av reaktionen hade högt pH, mycket grundläggande förutsättningar, " säger Li. "Men reaktionen av CO2 med kaustik soda i vattnet sänker pH, så vi skulle ha varit tvungna att kontinuerligt tillsätta kemikalier för att hålla pH uppe. Det nya systemet fungerar lika bra under neutrala förhållanden, så vi kan eliminera den extra kostnaden, samt förlust av CO2 i form av karbonat."

Den förbättrade katalysatorn höll också längre än den tidigare versionen, förblir stabil i nästan 200 timmars drift. En annan förbättring – att öka arean på katalysatorytan med en faktor fem – gav teamen en smak av de utmaningar som måste övervinnas för att skala upp produktionen till industriella nivåer.

Även om prototypen fortfarande är långt från kommersialisering, det övergripande konceptet erbjuder ett lovande sätt att möta flera viktiga utmaningar inom hållbarhet. Det eliminerar behovet av att utvinna mer olja för att tillverka plast och andra konsumtionsvaror baserade på eten, och det förvandlar avfallsCO2 till ett råmaterial, lägga till ett nytt incitament att investera i koldioxidavskiljning.

Li påpekar också att ett sådant system skulle kunna drivas av intermittenta förnybara källor, som vind- eller solenergi. För närvarande, Det finns ofta en obalans mellan mängden el som produceras av dessa system och konsumenternas efterfrågan. Genom att lagra överflödig elektricitet i form av eten, systemet erbjuder ett sätt att jämna ut dessa toppar och dalar.

"Vad som är bra med detta CO2-till-etylenomvandlingssystem är att du inte behöver välja mellan att fånga och återvinna koldioxidutsläpp jämfört med att försöka förhindra att de uppstår i första hand genom att förskjuta de använda fossila bränslen, " säger Li. "Vi kan göra båda samtidigt."