System för att fånga upp och omvandla koldioxid från kraftverksutsläpp kan vara viktiga verktyg för att bromsa klimatförändringarna, men de flesta är relativt ineffektiva och dyra. Nu, forskare vid MIT har utvecklat en metod som avsevärt kan öka prestandan hos system som använder katalytiska ytor för att öka hastigheten för kolbindande elektrokemiska reaktioner.

Sådana katalytiska system är ett attraktivt alternativ för kolavskiljning eftersom de kan producera användbara, värdefulla produkter, såsom transportbränslen eller kemiska råvaror. Denna produktion kan hjälpa till att subventionera processen, kompensera kostnaderna för att minska utsläppen av växthusgaser.

I dessa system, typiskt passerar en gasström som innehåller koldioxid genom vatten för att leverera koldioxid för den elektrokemiska reaktionen. Rörelsen genom vattnet är trög, vilket bromsar omvandlingshastigheten för koldioxiden. Den nya designen säkerställer att koldioxidströmmen förblir koncentrerad i vattnet precis intill katalysatorytan. Denna koncentration, forskarna har visat, kan nästan fördubbla systemets prestanda.

Resultaten beskrivs idag i tidskriften Cell Rapporter Fysisk Vetenskap i en uppsats av MIT postdoc Sami Khan Ph.D. '19, som nu är biträdande professor vid Simon Fraser University, tillsammans med MIT-professorerna i maskinteknik Kripa Varanasi och Yang Shao-Horn, och nyutexaminerade Jonathan Hwang Ph.D. '19.

"Koldioxidbindning är vår tids utmaning, " säger Varanasi. Det finns ett antal tillvägagångssätt, inklusive geologisk sekvestrering, lagring av havet, mineralisering, och kemisk omvandling. När det gäller att göra användbar, säljbara produkter från denna växthusgas, elektrokemisk omvandling är särskilt lovande, men det behöver fortfarande förbättringar för att bli ekonomiskt lönsamt. "Målet med vårt arbete var att förstå vad som är den stora flaskhalsen i den här processen, och för att förbättra eller mildra den flaskhalsen, " han säger.

Flaskhalsen visade sig involvera leverans av koldioxid till den katalytiska ytan som främjar de önskade kemiska omvandlingarna, fann forskarna. I dessa elektrokemiska system, strömmen av koldioxidhaltiga gaser blandas med vatten, antingen under tryck eller genom att bubbla det genom en behållare utrustad med elektroder av ett katalysatormaterial såsom koppar. En spänning appliceras sedan för att främja kemiska reaktioner som producerar kolföreningar som kan omvandlas till bränslen eller andra produkter.

Det finns två utmaningar i sådana system:Reaktionen kan fortskrida så snabbt att den förbrukar tillförseln av koldioxid som når katalysatorn snabbare än den kan fyllas på; och om det händer, en konkurrerande reaktion – uppdelningen av vatten till väte och syre – kan ta över och tappa mycket av energin som läggs in i reaktionen.

Tidigare ansträngningar att optimera dessa reaktioner genom att strukturera katalysatorytorna för att öka ytarean för reaktioner hade misslyckats med att uppfylla deras förväntningar, eftersom koldioxidtillförseln till ytan inte kunde hålla jämna steg med den ökade reaktionshastigheten, därigenom övergå till väteproduktion med tiden.

Forskarna åtgärdade dessa problem genom att använda en gasattraherande yta placerad i närheten av katalysatormaterialet. Detta material är en speciellt texturerad "gasfilisk, " superhydrofobt material som stöter bort vatten men tillåter ett jämnt lager av gas som kallas en plastron att hålla sig nära längs dess yta. Det håller det inkommande flödet av koldioxid rakt upp mot katalysatorn så att de önskade koldioxidomvandlingsreaktionerna kan maximeras. Genom att använda färgämnesbaserade pH-indikatorer, forskarna kunde visualisera koldioxidkoncentrationsgradienter i testcellen och visa att den ökade koncentrationen av koldioxid kommer från plastronen.

I en serie labbexperiment som använder denna uppställning, hastigheten för kolomvandlingsreaktionen nästan fördubblades. Det bibehölls också med tiden, medan reaktionen snabbt ebbade ut i tidigare experiment. Systemet producerade höga mängder eten, propanol, och etanol – ett potentiellt fordonsbränsle. Under tiden, den konkurrerande väteutvecklingen begränsades kraftigt. Även om det nya arbetet gör det möjligt att finjustera systemet för att producera den önskade mixen av produkt, i vissa applikationer, att optimera för väteproduktion som bränsle kan vara det önskade resultatet, vilket också kan göras.

"Det viktiga måttet är selektivitet, "Khan säger, hänvisar till förmågan att generera värdefulla föreningar som kommer att produceras av en given blandning av material, texturer, och spänningar, och för att justera konfigurationen enligt önskad utgång.

Genom att koncentrera koldioxiden bredvid katalysatorytan, det nya systemet producerade också två nya potentiellt användbara kolföreningar, aceton, och acetat, som inte tidigare detekterats i några sådana elektrokemiska system med märkbar hastighet.

I detta inledande laboratoriearbete, en enda remsa av det hydrofoba, gasattraherande material placerades bredvid en enkel kopparelektrod, men i framtida arbete kan en praktisk anordning göras med hjälp av en tät uppsättning av sammanflätade par av plattor, Varanasi föreslår.

Jämfört med tidigare arbete med elektrokemisk kolreduktion med nanostrukturkatalysatorer, Varanasi säger, "vi överträffar dem alla betydligt, för även om det är samma katalysator, det är hur vi levererar koldioxiden som förändrar spelet."