En billig, tennbaserad katalysator kan selektivt omvandla koldioxid till tre allmänt producerade kemikalier – etanol, ättiksyra och myrsyra.
Att gömma sig i utsläppen från många industriella verksamheter är en outnyttjad resurs – koldioxid (CO2 ). En bidragande orsak till växthusgaser och global uppvärmning, kunde den istället fångas upp och omvandlas till förädlade kemikalier.
I ett samarbetsprojekt som involverar U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory, Northern Illinois University och Valparaiso University, rapporterar forskare en familj av katalysatorer som effektivt omvandlar CO2 till etanol, ättiksyra eller myrsyra. Dessa kemikalier är bland de mest producerade i USA och finns i många kommersiella produkter. Etanol är till exempel en nyckelingrediens i många hushållsprodukter och en tillsats till nästan all amerikansk bensin.
Verket publiceras i Journal of the American Chemical Society .
Katalysatorerna är baserade på tennmetall avsatt över en kolbärare. "Om de är fullt utvecklade kan våra katalysatorer omvandla CO2 produceras vid olika industriella källor till värdefulla kemikalier", säger Di-Jia Liu. "Dessa källor inkluderar kraftverk för fossila bränslen och biojäsning och avfallsbehandlingsanläggningar." Liu är senior kemist vid Argonne och senior vetenskapsman vid Pritzker School of Molecular Engineering vid University of Chicago.
Metoden som används av teamet kallas elektrokatalytisk omvandling, vilket betyder att CO2 omvandling över en katalysator drivs av elektricitet. Genom att variera storleken på tenn som används från enstaka atomer till ultrasmå kluster och även till större nanokristalliter, kunde teamet kontrollera CO2 omvandling till ättiksyra, etanol respektive myrsyra. Selektiviteten för var och en av dessa kemikalier var 90 % eller högre. "Vårt konstaterande av en förändrad reaktionsväg genom katalysatorstorleken är oöverträffad," sa Liu.
Beräknings- och experimentella studier avslöjade flera insikter om reaktionsmekanismerna som bildar de tre kolvätena. En viktig insikt var att reaktionsvägen förändras helt när det vanliga vattnet som används i omvandlingen växlas till deutererat vatten (deuterium är en isotop av väte). Detta fenomen är känt som den kinetiska isotopeffekten. Det har aldrig tidigare observerats i CO2 konvertering.
Denna forskning gynnades av två DOE Office of Science-användaranläggningar i Argonne – Advanced Photon Source (APS) och Center for Nanoscale Materials (CNM).
"Med hjälp av de hårda röntgenstrålar som finns tillgängliga vid APS, fångade vi de kemiska och elektroniska strukturerna hos de tennbaserade katalysatorerna med olika tennladdningar", säger Chengjun Sun, en Argonne-fysiker. Dessutom avbildade den höga rumsliga upplösningen som är möjlig med ett transmissionselektronmikroskop vid CNM direkt arrangemanget av tennatomer, från enstaka atomer till små kluster, med de olika katalysatorladdningarna.
Enligt Liu, "Vårt slutmål är att använda lokalt genererad el från vind och sol för att producera önskade kemikalier för lokal konsumtion."
Detta skulle kräva att de nyupptäckta katalysatorerna integrerades i en lågtemperaturelektrolysator för att utföra CO2 omvandling med el från förnybar energi. Lågtemperaturelektrolysatorer kan arbeta vid nära omgivande temperatur och tryck. Detta möjliggör snabb start och stopp för att tillgodose den intermittenta tillförseln av förnybar energi. Det är en idealisk teknik för detta ändamål.
"Om vi selektivt kan producera endast de kemikalier som behövs nära platsen, kan vi hjälpa till att minska CO2 transport- och lagringskostnader," noterade Liu. "Det skulle verkligen vara en win-win-situation för lokala användare av vår teknik."
Rättningsnotering (2024-05-24):Den här artikeln hänvisade tidigare till etanol, ättiksyra och myrsyra som "flytande kolväten." de är dock inte kolväten, eftersom de innehåller syreatomer i sina molekyler.
Mer information: Haiping Xu et al, Modulating CO2 Electrocatalytic Conversion to the Organics Pathway by the Catalytic Site Dimension, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c12722
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av Argonne National Laboratory
