Med ständigt förvärrade klimatförändringar, det finns ett växande behov av teknik som kan fånga upp och använda det atmosfäriska CO ₂ (koldioxid) och minska vårt koldioxidavtryck. Inom området förnybar energi, CO ₂ -baserade e-bränslen har framträtt som en lovande teknik som försöker omvandla atmosfärisk CO ₂ till rena bränslen. Processen innebär produktion av syntetisk gas eller syntesgas (en blandning av väte och kolmonoxid (CO)). Med hjälp av omvänd reaktion mellan vatten-gasskift (RWGS), CO ₂ bryts ner till CO som är nödvändig för syngas. Medan den lovar sin konverteringseffektivitet, RWGS -reaktionen kräver otroligt höga temperaturer (> 700 ° C) för att fortsätta, samtidigt som det genererar oönskade biprodukter.

För att hantera dessa problem, forskare utvecklade en modifierad kemisk looping-version av RWGS-reaktionen som omvandlar CO ₂ till CO i en tvåstegsmetod. Först, en metalloxid, används som ett syrlagringsmaterial, reduceras med väte. Senare, det oxideras igen av CO ₂ , ger CO. Denna metod är fri från oönskade biprodukter, gör gasavskiljningen enklare, och kan göras genomförbar vid lägre temperaturer beroende på den valda oxiden. Följaktligen, forskare har letat efter oxidmaterial som uppvisar höga oxidationsreduceringshastigheter utan att kräva höga temperaturer.

I en ny studie publicerad i Kemisk vetenskap , forskare från Waseda University och ENEOS Corporation i Japan har avslöjat att en ny indiumoxid modifierad med koppar (Cu-In ₂ O ₃ ) uppvisar ett rekordstort CO ₂ omvandlingsfrekvens på 10 mmolh ^-1 g ^-1 vid relativt blygsamma temperaturer (400-500 ° C), vilket gör den till en föregångare bland syreförvaringsmaterial som krävs för lågtemperatur-CO ₂ omvandling. För att bättre förstå detta beteende, laget undersökte de strukturella egenskaperna hos Cu-In-oxid tillsammans med kinetiken som är involverad i den kemiska looping-RWGS-reaktionen.

Forskarna genomförde röntgenbaserade analyser och fann att provet ursprungligen innehöll ett föräldermaterial, Cu2In ₂ O ₅ , som först reducerades med väte för att bilda en Cu-In-legering och indiumoxid (In ₂ O ₃ ) och oxideras sedan av CO ₂ för att ge Cu-In ₂ O ₃ och CO-röntgendata avslöjade vidare att det genomgick oxidation och minskning under reaktionen, att ge forskarna den viktigaste ledtråden. "Röntgenmätningarna gjorde det klart att den kemiskt loopade RWGS-reaktionen är baserad på reduktion och oxidation av Indium som leder till bildning och oxidation av Cu-In-legeringen, "förklarar professor Yasushi Sekine från Waseda University, som ledde studien.

De kinetiska undersökningarna gav ytterligare insikter i reaktionen. Reduktionssteget avslöjade att Cu var ansvarig för minskningen av indiumoxid vid låga temperaturer, medan oxidationssteget visade att Cu-In-legeringsytan bevarade ett starkt reducerat tillstånd medan dess massa oxiderades. Detta gjorde att oxidationen kunde ske dubbelt så snabbt som för andra oxider. Teamet tillskrev detta säregna oxidationsbeteende till en snabb migration av negativt laddade syrejoner från Cu-In-legeringens yta till dess bulk, som hjälpte till med den förmånliga bulkoxidationen.

Resultaten har, ganska förväntat, upphetsade forskare om framtidsutsikterna för koppar-indiumoxider. "Med tanke på den nuvarande situationen med koldioxidutsläpp och global uppvärmning, en högpresterande koldioxidomvandlingsprocess är mycket önskvärd. Även om den kemiskt loopade RWGS -reaktionen fungerar bra med många oxidmaterial, vår nya Cu-In-oxid här visar en anmärkningsvärt högre prestanda än någon av dem. Vi hoppas att detta kommer att bidra avsevärt till att minska vårt koldioxidavtryck och driva mänskligheten mot en mer hållbar framtid ", avslutar Sekine.