Bränsleceller omvandlar kemikalier till elektricitet. Nu, ett University of Toronto Engineering team har anpassat teknik från bränsleceller för att göra det omvända:utnyttja elektricitet för att göra värdefulla kemikalier av kolavfall (CO ₂ ).

"I årtionden, begåvade forskare har utvecklat system som omvandlar el till väte och tillbaka igen, "säger professor Ted Sargent, en av de höga författarna till tidningen publicerad i Vetenskap . "Vår innovation bygger på detta arv, men genom att använda kolbaserade molekyler, vi kan ansluta direkt till befintlig kolväteinfrastruktur. "

I en vätebränslecell, väte och syre kommer samman på ytan av en katalysator. Den kemiska reaktionen frigör elektroner, som fångas upp av specialmaterial inom bränslecellen och pumpas in i en krets.

Motsatsen till en bränslecell är en elektrolysator, som använder elektricitet för att driva en kemisk reaktion. Tidningens författare är experter på att designa elektrolysatorer som omvandlar CO ₂ i andra kolbaserade molekyler, såsom eten. I teamet ingår Ph.D. kandidat Adnan Ozden, som leds av professor David Sinton, liksom flera medlemmar i Sargents team, inklusive Ph.D. kandidaten Joshua Wicks, postdoktor F. Pelayo García de Arquer och tidigare postdoktor Cao-Thang Dinh.

"Etylen är en av de mest producerade kemikalierna i världen, "säger Wicks." Den används för att göra allt från frostskyddsmedel till gräsmöbler. Idag härrör det från fossila bränslen, men om vi istället kunde klara det genom att uppgradera avfall CO ₂ , det skulle ge ett nytt ekonomiskt incitament för att fånga kol. "

Dagens elektrolysatorer producerar ännu inte eten i en skala som är tillräckligt stor för att konkurrera med vad som härrör från fossila bränslen. En del av utmaningen ligger i den unika karaktären av den kemiska reaktion som omvandlar CO ₂ till eten och andra kolbaserade molekyler.

"Reaktionen kräver tre saker:CO ₂ , som är en gas; vätejoner, som kommer från flytande vatten; och elektroner, som överförs genom en metallkatalysator, "säger Ozden." Att föra de tre olika faserna - särskilt CO ₂ - snabbt är utmanande, och det är det som har begränsat reaktionshastigheten. "

I sin senaste elektrolysatordesign, laget använde ett unikt arrangemang av material för att övervinna utmaningarna med att föra ihop reaktanterna. Elektroner levereras med en kopparbaserad katalysator som teamet tidigare hade utvecklat. Men istället för en platt plåt, katalysatorn i den nya elektrolysatorn är i form av små partiklar inbäddade i ett lager av ett material som kallas Nafion.

Nafion är en jonomer - en polymer som kan leda laddade partiklar som kallas joner. I dag, det används vanligtvis i bränsleceller, där dess roll är att transportera positivt laddade väte (H+) joner runt i reaktorn.

"I våra experiment, vi upptäckte att ett visst arrangemang av Nafion kan underlätta transporten av gaser som CO ₂ , "säger García de Arquer." Vår design gör att gasreaktanter kan nå katalysatorytan tillräckligt snabbt och tillräckligt fördelat för att öka reaktionshastigheten avsevärt. "

Eftersom reaktionen inte längre begränsas av hur snabbt de tre reaktanterna kan komma samman, laget kunde transformera CO ₂ i etylen och andra produkter 10 gånger snabbare än tidigare. De uppnådde detta utan att minska reaktorns totala effektivitet, vilket betyder mer produkt för ungefär samma kapitalkostnad.

Trots framsteg, enheten är långt ifrån kommersiell lönsamhet. En av de stora återstående utmaningarna har att göra med katalysatorns stabilitet under de nya högre strömtätheten.

"Vi kan pumpa in elektroner tio gånger snabbare, vilket är fantastiskt, men vi kan bara driva systemet i cirka tio timmar innan katalysatorlagret bryts ner, "säger Dinh." Detta är fortfarande långt ifrån målet om tusentals timmar som skulle behövas för industriell tillämpning. "

Dinh, som nu är professor i kemiteknik vid Queen's University, fortsätter arbetet med att undersöka nya strategier för att stabilisera katalysatorlagret, såsom att ytterligare modifiera Nafions kemiska struktur eller lägga till ytterligare lager för att skydda den.

De andra teammedlemmarna planerar att arbeta med olika utmaningar, såsom att optimera katalysatorn för att producera andra kommersiellt värdefulla produkter utöver eten.

"Vi valde eten som exempel, men principerna här kan tillämpas på syntesen av andra värdefulla kemikalier, inklusive etanol "säger Wicks." Förutom dess många industriella användningsområden, etanol används också ofta som bränsle. "

Förmågan att producera bränslen, byggmaterial och andra produkter på ett koldioxidneutralt sätt är ett viktigt steg mot att minska vårt beroende av fossila bränslen.

"Även om vi slutar använda olja för energi, vi kommer fortfarande att behöva alla dessa molekyler, "säger García de Arquer." Om vi ​​kan producera dem med avfall CO ₂ och förnybar energi, vi kan ha en stor inverkan när det gäller att avkarbonisera vår ekonomi. "