Konstnärlig återgivning av elektrokatalytisk process för omvandling av koldioxid och vatten till etanol. Kredit:Kredit:Argonne National Laboratory
Katalysatorer påskyndar kemiska reaktioner och utgör ryggraden i många industriella processer. Till exempel, de är viktiga för att omvandla tung olja till bensin eller jetbränsle. I dag, katalysatorer är involverade i över 80 procent av alla tillverkade produkter.
Ett forskarlag, ledd av US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory i samarbete med Northern Illinois University, har upptäckt en ny elektrokatalysator som omvandlar koldioxid (CO 2 ) och vatten till etanol med mycket hög energieffektivitet, hög selektivitet för önskad slutprodukt och låg kostnad. Etanol är en särskilt önskvärd vara eftersom det är en ingrediens i nästan all amerikansk bensin och används allmänt som en mellanprodukt i kemikalien, läkemedels- och kosmetikindustrin.
"Processen från vår katalysator skulle bidra till den cirkulära koldioxidekonomin, som innebär återanvändning av koldioxid, " sa Di-Jia Liu, senior kemist i Argonnes Chemical Sciences and Engineering-avdelning och en UChicago CASE-forskare vid Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago. Denna process skulle göra det genom att elektrokemiskt omvandla CO 2 släpps ut från industriella processer, såsom fossilbränslekraftverk eller alkoholjäsningsanläggningar, till värdefulla varor till rimlig kostnad.
Teamets katalysator består av atomärt dispergerad koppar på ett kol-pulverstöd. Genom en elektrokemisk reaktion, denna katalysator bryter ner CO 2 och vattenmolekyler och sätter selektivt samman de brutna molekylerna till etanol under ett externt elektriskt fält. Den elektrokatalytiska selektiviteten, eller "Faradisk effektivitet, "av processen är över 90 procent, mycket högre än någon annan rapporterad process. Vad är mer, Katalysatorn arbetar stabilt under långvarig drift vid låg spänning.
"Med denna forskning, vi har upptäckt en ny katalytisk mekanism för att omvandla koldioxid och vatten till etanol, sa Tao Xu, en professor i fysikalisk kemi och nanoteknik från Northern Illinois University. "Mekanismen bör också ge en grund för utveckling av högeffektiva elektrokatalysatorer för koldioxidomvandling till ett stort utbud av förädlade kemikalier."
Eftersom CO 2 är en stabil molekyl, att omvandla den till en annan molekyl är normalt energikrävande och kostsamt. Dock, enligt Liu, "Vi skulle kunna koppla den elektrokemiska processen av CO 2 -omvandling till etanol med hjälp av vår katalysator till elnätet och dra fördel av den lågkostnadselektricitet som är tillgänglig från förnybara källor som sol och vind under lågtrafik." Eftersom processen körs vid låg temperatur och tryck, den kan starta och stoppa snabbt som svar på den intermittenta tillförseln av förnybar elektricitet.
Teamets forskning gynnades av två DOE Office of Science User Facilities vid Argonne – Advanced Photon Source (APS) och Center for Nanoscale Materials (CNM) – samt Argonnes Laboratory Computing Resource Center (LCRC). "Tack vare det höga fotonflödet hos röntgenstrålarna vid APS, vi har fångat de strukturella förändringarna av katalysatorn under den elektrokemiska reaktionen, sa Tao Li, en biträdande professor vid institutionen för kemi och biokemi vid Northern Illinois University och en biträdande forskare vid Argonnes avdelning för röntgenvetenskap. Dessa data tillsammans med högupplöst elektronmikroskopi vid CNM och beräkningsmodellering med LCRC avslöjade en reversibel transformation från atomärt spridd koppar till kluster av tre kopparatomer vardera vid applicering av en låg spänning. Kompaniet 2 Katalys av -till-etanol sker på dessa små kopparkluster. Detta fynd belyser sätt att ytterligare förbättra katalysatorn genom rationell design.
"Vi har förberett flera nya katalysatorer med detta tillvägagångssätt och funnit att de alla är mycket effektiva för att omvandla CO 2 till andra kolväten, ", sa Liu. "Vi planerar att fortsätta denna forskning i samarbete med industrin för att främja denna lovande teknik."
