Forskare som vill omvandla koldioxid till rena bränslen och användbara kemikalier gör ofta vätgas och karbonater som oönskade biprodukter. En ny uppsats från UChicago Pritzker School of Molecular Engineering har hittat en renare väg.
Koldioxid är växthusgasen, ensam ansvarig för 78 % av förändringen i energibalansen i jordens atmosfär mellan 1990 och 2022.
En biprodukt av förbränning av fossila bränslen, koldioxid kommer in i atmosfären från bilavgaser och koleldade kraftverk. Även vissa förnybara energiresurser producerar en liten mängd koldioxid, även om det är en liten bråkdel av den mängd kol och naturgas som skapar.
I sin kärna är denna molekyl bara ett arrangemang av en kol- och två syreatomer som kan omorganiseras genom en process som kallas elektrokemisk koldioxidreduktion (CO2 R) till rena bränslen och användbara kemikalier. Men processen sker ofta med förlust, med konkurrerande processer som drar atomerna i oönskade riktningar som skapar oönskade biprodukter.
I en tidning publicerad idag i Nature Catalysis , skisserade forskare från UChicago Pritzker School of Molecular Engineerings Amanchukwu Lab ett sätt att manipulera vattenmolekyler för att göra CO2 R effektivare, med det slutliga målet att skapa en ren energislinga.
Genom sin nya metod kunde teamet utföra CO2 R med nästan 100 % effektivitet under svagt sura förhållanden, med antingen guld eller zink som katalysatorer.
"Föreställ dig att vi kan ha grön el från sol och vind, och sedan använda denna elektricitet för att omvandla all koldioxid tillbaka till bränslen", säger PME Ph.D. kandidat Reggie Gomes, första författare till den nya tidningen.
Att elektrokemiskt demontera en molekyl är som ett breakshot i en omgång biljard. Det tidigare arrangemanget försvinner och bollarna sprids över bordet och kommer till vila i nya kombinationer – inte alltid de som spelaren tänkt sig.
Likaså forskare som utför CO2 R använder el och vatten för att bryta upp och ordna om den skadliga växthusgasen. Detta skickar atomer av kol och syre från koldioxiden karomerande över bordet med väteatomer från vattnet.
Om det fungerar som det är tänkt bildar atomerna andra, mer önskvärda molekyler som kan användas som bränsle eller kemikalier.
Men när atomerna sprids bildas ofta stabila parningar av två väteatomer, en process som kallas väteutvecklingsreaktionen (HER). Detta gör CO2 R mindre effektiv, eftersom energi och atomer som blir vätgas inte kan vara en del av de molekyler som forskarna försökte skapa.
Även i små mängder vatten, CO2 R konkurrerar alltid med HENNE.
Amanchukwu Lab – som är mest anmärkningsvärt för sin batteriforskning – tillämpade insikter från vattenbaserade batterier på problemet och antog att kontroll av vattnet med organiska lösningsmedel kunde ge en lösning.
Båda CO2 R och HER är beroende av vatten som protondonator. Med hjälp av organiska lösningsmedel och syratillsatser kunde teamet justera vattnets beteende och hitta den söta punkten där det donerade rätt mängd protoner för att skapa de avsedda molekylerna, inte vätgasen och andra oönskade material som karbonater.
"I allmän kemi lär vi oss att koldioxid reagerar med hydroxid och bildar karbonat. Det är oönskat eftersom det utarmar den molekyl vi vill värdera", säger Neubauer familjeassistent professor i molekylär teknik Chibueze Amanchukwu.
Många av de mest effektiva sätten att utföra CO2 R lita på ädla metaller.
"Platina, silver, guld - för forskningsändamål är de fantastiska katalysatorer," sa Gomes. "De är mycket stabila material. Men när du tänker på industriella tillämpningar blir de kostsamma."
Genom att konstruera elektrolyten kan den nya metoden få liknande resultat med hjälp av billigare material som finns i rikligare mängd.
"Just nu är det bästa sättet att göra detta elektrokemiskt vid rumstemperatur att använda ädelmetaller. Guld och silver kan undertrycka väteutvecklingsreaktionen lite", sa Amanchukwu. "På grund av vår upptäckt kan vi nu använda en metall som innehåller mycket jord, zink, eftersom vi nu har ett separat sätt att kontrollera vatten."
Mer information: Reginaldo J. Gomes et al, Modulating vattenvätebindning i en icke-vattenhaltig miljö styr dess reaktivitet i elektrokemiska transformationer, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-024-01162-z
Journalinformation: Naturkatalys
Tillhandahålls av University of Chicago
