När nivåerna av atmosfärisk koldioxid fortsätter att stiga, forskare letar efter nya sätt att bryta ner CO ₂ molekyler för att göra användbara kolbaserade bränslen, kemikalier och andra produkter. Nu, ett team av Brown University-forskare har hittat ett sätt att finjustera en kopparkatalysator för att producera komplexa kolväten – kända som C2-plus-produkter – från CO ₂ med enastående effektivitet.

I en studie publicerad i Naturkommunikation , forskarna rapporterar en katalysator som kan producera C2-plus-föreningar med upp till 72 % faradaisk verkningsgrad (ett mått på hur effektivt elektrisk energi används för att omvandla koldioxid till kemiska reaktionsprodukter). Det är mycket bättre än de rapporterade effektiviteterna för andra katalysatorer för C2-plus-reaktioner, säger forskarna. Och beredningsprocessen kan skalas upp till en industriell nivå ganska enkelt, vilket ger den nya katalysatorn potential för användning i storskalig CO ₂ återvinningsinsatser.

"Det hade funnits rapporter i litteraturen om alla typer av olika behandlingar för koppar som kunde producera dessa C2-plus med en rad olika effektiviteter, " sa Tayhas Palmore, en professor i teknik vid Brown som var medförfattare till uppsatsen tillsammans med Ph.D. elev Taehee Kim. "Vad Taehee gjorde var en uppsättning experiment för att reda ut vad vart och ett av dessa behandlingssteg faktiskt gjorde med katalysatorn när det gäller reaktivitet, som visade vägen till att optimera en katalysator för dessa flerkolföreningar."

Det har gjorts stora framsteg de senaste åren när det gäller att utveckla kopparkatalysatorer som kan göra enkolmolekyler, säger Palmore. Till exempel, Palmore och hennes team på Brown utvecklade nyligen en kopparskumkatalysator som kan producera myrsyra effektivt, en viktig enkolhaltig råvara. Men intresset ökar för reaktioner som kan ge C2-plus-produkter.

"I sista hand, alla strävar efter att öka antalet kol i produkten till den grad att de producerar högre koldioxidbränslen och kemikalier, sa Palmore.

Det hade funnits bevis från tidigare forskning att halogenering av koppar - en reaktion som täcker en kopparyta med kloratomer, brom eller jod i närvaro av en elektrisk potential - kan öka en katalysators selektivitet för C2-plus-produkter. Kim experimenterade med en mängd olika halogeneringsmetoder, nollställning av vilka halogenelement och vilka elektriska potentialer som gav katalysatorer med bäst prestanda i CO ₂ -till-C2-plus-reaktioner. Han fann att de optimala preparaten kunde ge faradaisk effektivitet på mellan 70,7 % och 72,6 %, mycket högre än någon annan kopparkatalysator.

Forskningen hjälper till att avslöja de egenskaper som gör en kopparkatalysator bra för C2-plus-produkter. Preparaten med den högsta effektiviteten hade ett stort antal ytdefekter - små sprickor och sprickor i den halogenerade ytan - som är avgörande för kol-kol-kopplingsreaktioner. Dessa defektplatser verkar vara nyckeln till katalysatorernas höga selektivitet mot eten, en C2-plus-produkt som kan polymeriseras och användas för att tillverka plast.

I sista hand, En sådan katalysator kommer att underlätta storskalig återvinning av CO ₂ . Tanken är att fånga CO ₂ produceras av industrianläggningar som kraftverk, cementtillverkning eller direkt från luft, och omvandla det till andra användbara kolföreningar. Det kräver en effektiv katalysator som är lätt att producera och regenerera, och tillräckligt billigt för att fungera i industriell skala. Denna nya katalysator är en lovande kandidat, säger forskarna.

"Vi arbetade med katalysatorer i labbskala för våra experiment, men du kan producera en katalysator av praktiskt taget vilken storlek som helst med hjälp av den utvecklade metoden, sa Palmore.