Ph.D. kandidaten Jianan Erick Huang arbetar på en elektrolysör i professor Ted Sargents labb vid University of Toronto. Teamet har utvecklat en ny process för att omvandla löst CO2 till produkter med högre värde, såsom eten. Till skillnad från tidigare system, lagets elektrolysör kan köras under starkt sura förhållanden, kraftigt öka andelen kol som omvandlas. Kredit:Geonhui Lee
Forskare från University of Toronto Engineering har utvecklat ett förbättrat elektrokemiskt system som höjer värdet av fångad CO 2 genom att omvandla mer av det till värdefulla produkter än någonsin tidigare.
Internationella energiorganet nämnde nyligen kolavskiljning och lagring som en av de strategier som kan hjälpa till att hålla de globala utsläppen tillräckligt låga för att begränsa den globala uppvärmningen till 1,5 C till 2050. Men infångat kol har för närvarande lite ekonomiskt värde, minska incitamenten för företag att investera i denna teknik.
Ett tekniskt team vid University of Toronto under ledning av professor Ted Sargent tar sig an denna utmaning genom att designa avancerade elektrolysörer som använder elektricitet för att omvandla infångad CO 2 in i de petrokemiska byggstenarna i vanliga vardagliga material, från plast till lycra. Detta bidrar till att skapa en marknad för fångat kol, samtidigt som det tillhandahåller ett koldioxidsnålt alternativ till de fossilbränslebaserade tillverkningsprocesser som används idag.
Till skillnad från tidigare system, teamets senaste design kan köras under starkt sura förhållanden, vilket minskar oönskade bireaktioner och förbättrar den totala effektiviteten.
"I tidigare system, du var tvungen att välja om du skulle fokusera på effektiv användning av el, eller effektiv användning av kol, säger Sargent, senior författare till en ny tidning publicerad idag i Vetenskap . "Vårt team använde en ny katalysatordesign inuti elektrolysatorn för att förbruka en stor del av det ingående kolet, samtidigt som man behåller god produktivitet mot önskvärda högvärdiga produkter."
I elektrolysatorn, fångade CO 2 är löst i en flytande elektrolyt, som rinner över den fasta katalysatorn genom vilken elektriciteten tillförs.
"Vad vi vill ha är för den upplösta CO 2 i reaktorn för att absorbera elektroner och omvandlas till eten och andra produkter, " säger doktorand Jianan Erick Huang, en av tre co-lead författare på den nya uppsatsen tillsammans med andra Ph.D. kandidat Adnan Ozden och postdoktor Fengwang Li, som nu fortsätter liknande forskning vid University of Sydney.
"Men, i tidigare rapporter som arbetade vid högt pH – vilket betyder alkaliska eller neutrala förhållanden – det mesta av CO 2 är bortkastad, eftersom det omvandlas till karbonat istället."
Huang säger att även om karbonatet kan extraheras, omvandlas till CO 2 och matas tillbaka till elektrolysatorn, att göra det är energiskt kostsamt. Teamets beräkningar visar att mer än hälften av den energi som förbrukas av det totala systemet skulle gå åt till att återvinna karbonatet på detta sätt.
Kör elektrolysatorn under lågt pH, eller sura förhållanden, förhindrar bildandet av karbonat, men det introducerar ett annat problem:nu är den mer gynnsamma reaktionen väteutveckling. Detta innebär att vätejoner (dvs. protoner) i den sura lösningen absorberar elektroner och omvandlas till vätgas, lämnar få elektroner tillgängliga att kombinera med CO 2 .
Huang och teamet hanterade detta problem med två strategier i kombination. Först, under sura förhållanden, de ökade strömtätheten, översvämma reaktorn med elektroner. Vätejoner rusade in för att reagera med dem, men de fastnade i en molekylär trafikstockning – den tekniska termen är masstransportbegränsning.
"I själva verket, vi skapar en reaktor som är sur genomgående, förutom ett litet lager inom mindre än 50 mikrometer från katalysatorns yta, " säger Huang. "I den specifika regionen, det är inte surt, i själva verket är det något alkaliskt. Där, CO 2 kan reduceras till eten av dessa elektroner."
Nästa steg var att lägga till en positivt laddad jon, i detta fall kalium, till reaktionen. Detta skapade ett elektriskt fält nära katalysatorn som gjorde det lättare för CO 2 att adsorbera till ytan, ger det försprång i konkurrensen med vätgas.
Ph.D. kandidat, Shuzhen Zhang, som bidrog till detta projekt, prover utloppsströmmen från den elektrokemiska reaktorn för produktanalys. Kredit:University of Sydney
De två förändringarna gjorde stor skillnad. Tidigare system hade vanligtvis använt mindre än 15 % av det tillgängliga kolet, förlorar resten till karbonat. Det nya systemet använder cirka 77 % av tillgängligt kol, med mer än 50 % omvandlas till flerkolsprodukter som eten och etanol. (De övriga 27 % går till enkolsprodukter som kolmonoxid och myrsyra.)
"Det här genombrottet hjälper till att bana vägen framåt mot en ekonomiskt lönsam framtid för CO 2 utnyttjande även med hög CO 2 fånga kostnader idag, " säger Dr Philip Llewellyn, Carbon Capture and Utilization (CCUS) Manager för TOTAL SE, som gav ekonomiskt stöd till forskningen. "När man ytterligare överväger de förväntade höjningarna av koldioxidskatten som behövs för att uppfylla globala klimatmål, detta representerar en betydande acceleration i tiden till marknad och tid till klimatpåverkan för CO 2 elektrolysatorer."
Det finns fortfarande hinder att övervinna innan detta system kan skalas upp till en industriell nivå, inklusive stabiliteten hos katalysatorn när dess storlek ökar och behovet av ytterligare energibesparingar. Fortfarande, Huang är stolt över vad laget har åstadkommit.
"Genom att skapa en reaktor som är sur på ett ställe och alkalisk på en annan, vi har brutit en teoretisk gräns, " säger han. "Vi behöver inte välja mellan koleffektivitet och elektroneffektivitet:vi kan optimera båda för att få det bästa övergripande systemet. Det kommer att bli utmanande, men jag tror att det är genomförbart nu."
