Illustration av ElectroCatalysis-systemet som syntetiserade den släta nanotråden och sedan aktiverade den genom att applicera en spänning för att få den grova stegytan som är mycket selektiv för CO2-reduktion till eten. Kredit:Yu Huang och William A. Goddard III
Ett forskarlag från Caltech och UCLA Samueli School of Engineering har visat ett lovande sätt att effektivt omvandla koldioxid till eten - en viktig kemikalie som används för att tillverka plast, lösningsmedel, kosmetika och andra viktiga produkter globalt.
Forskarna utvecklade koppartrådar i nanoskala med speciellt formade ytor för att katalysera en kemisk reaktion som minskar utsläppen av växthusgaser samtidigt som de genererar eten - en värdefull kemikalie samtidigt. Beräkningsstudier av reaktionen visar att den formade katalysatorn gynnar produktionen av eten framför väte eller metan. En studie som beskriver framstegen publicerades i Naturkatalys .
"Vi är på randen av utmattning av fossila bränslen, tillsammans med globala klimatförändringsutmaningar, sa Yu Huang, studiens motsvarande författare, och professor i materialvetenskap och teknik vid UCLA. "Att utveckla material som effektivt kan omvandla växthusgaser till förädlade bränslen och kemiska råvaror är ett kritiskt steg för att mildra den globala uppvärmningen samtidigt som man vänder sig bort från att utvinna allt mer begränsade fossila bränslen. Detta integrerade experiment och teoretiska analys presenterar en hållbar väg mot återanvändning av koldioxid och koldioxid. utnyttjande."
För närvarande, Eten har en global årlig produktion på 158 miljoner ton. Mycket av det förvandlas till polyeten, som används i plastförpackningar. Etylen bearbetas från kolväten, såsom naturgas.
"Idén att använda koppar för att katalysera denna reaktion har funnits länge, men nyckeln är att accelerera hastigheten så att den är tillräckligt snabb för industriell produktion, sade William A. Goddard III, studiens motsvarande författare och Caltechs Charles och Mary Ferkel professor i kemi, Materialvetenskap, och tillämpad fysik. "Denna studie visar en solid väg mot det märket, med potential att omvandla etenproduktion till en grönare industri med CO 2 som annars skulle hamna i atmosfären."
Att använda koppar för att starta koldioxiden (CO 2 ) reduktion till etenreaktion (C 2 H 4 ) har drabbats av två strejker mot det. Först, den första kemiska reaktionen producerade också väte och metan - båda oönskade i industriell produktion. Andra, tidigare försök som resulterade i etenproduktion varade inte länge, med konverteringseffektiviteten som avtar allt eftersom systemet fortsatte att köras.
För att övervinna dessa två hinder, forskarna fokuserade på utformningen av nanotrådarna av koppar med mycket aktiva "steg" - liknande en uppsättning trappor arrangerade i atomär skala. Ett spännande fynd av denna samarbetsstudie är att detta stegmönster över nanotrådarnas ytor förblev stabilt under reaktionsförhållandena, i motsats till allmän uppfattning att dessa högenergifunktioner skulle jämna ut. Detta är nyckeln till både systemets hållbarhet och selektivitet vid framställning av eten, istället för andra slutprodukter.
Teamet visade en omvandlingshastighet för koldioxid till eten på mer än 70 %, mycket effektivare än tidigare konstruktioner, vilket gav minst 10% mindre under samma förhållanden. Det nya systemet kördes i 200 timmar, med liten förändring i konverteringseffektivitet, ett stort framsteg för kopparbaserade katalysatorer. Dessutom, den omfattande förståelsen av struktur-funktion-relationen illustrerade ett nytt perspektiv för att designa mycket aktiv och hållbar CO 2 reduktionskatalysator i aktion.
Huang och Goddard har varit frekventa medarbetare i många år, med Goddards forskargrupp med fokus på de teoretiska skälen som ligger till grund för kemiska reaktioner, medan Huangs grupp har skapat nya material och genomfört experiment. Huvudförfattaren på tidningen är Chungseok Choi, en doktorand i materialvetenskap och teknik vid UCLA Samueli och medlem i Huangs laboratorium.
