Forskare vid University of Michigan har utvecklat ett katalysatormaterial som kallas koboltftalocyanin som omvandlar koldioxid – en betydande drivkraft bakom klimatförändringarna – till förnybara bränslen som metanol.
Publicerad i tidskriften ACS Catalysis , U-M-forskare studerade att använda koboltftalocyanin som en katalysator för att omvandla koldioxid till metanol genom flera reaktionssteg. Det första steget omvandlar koldioxid (CO2). ) till kolmonoxid (CO) och det andra steget omvandlar CO till metanol.
Detta tillvägagångssätt presenterar en hållbar metod för att minska utsläppen av växthusgaser samtidigt som den erbjuder en möjlighet att producera ren energi.
Forskare har länge försökt hitta ett sätt att kemiskt omvandla CO2 till bränslen som metanol. Metanol skulle potentiellt kunna användas för att driva fordon på ett mer miljövänligt sätt.
Medan omvandlingen av CO2 till metanol har industrialiserats, att uppnå denna omvandling i stor skala genom elektrokemiska processer har visat sig vara en betydande utmaning.
"Vårt tillvägagångssätt är unikt eftersom vi kan föra och överbrygga all denna kunskap som varje fält har om samma problem. Vi har forskare och ingenjörer inom ett team, som brainstormar och samlar in insikter för att designa och förstå systemet på bästa möjliga sätt ", sa co-primärförfattaren Kevin Rivera-Cruz, som nyligen doktorerade i kemi från U-M.
Koboltftalocyanin fungerar som en molekylkrok för CO2 eller CO-molekyler. Arrangemanget av dessa molekyler runt koboltmetallen (geometrin) är avgörande eftersom det avgör hur starkt varje gasmolekyl binder. Problemet, fann de, är att koboltftalocyanin binder mycket starkare till CO2 molekyler än till CO-molekyler. På grund av detta, när CO har producerats i det första steget, förskjuts CO av en annan CO2 molekyl innan den kan omvandlas ytterligare till metanol.
Med hjälp av avancerad beräkningsmodellering beräknade forskarna att koboltftalocyanin binder CO2 över tre gånger hårdare än det binder kolmonoxid. De bekräftade också detta genom experiment som mätte reaktionshastigheter vid variation av mängderna CO2 och CO.
Forskarna visade att skillnaden i bindningsaffinitet har att göra med hur katalysatorns elektroner interagerar med CO2 och CO-molekyler. För att lösa det här problemet föreslår forskarna att omforma koboltftalocyaninkatalysatorn för att stärka hur den interagerar med CO och minska hur starkt den binder till CO2 .
Att lösa denna vägspärr kan bana väg för användning av katalysatorer som koboltftalocyanin för att effektivt omvandla CO2 avfall till metanolbränsle i stor skala.
Mer information: Libo Yao et al, Electrochemical CO2 Reduktion till metanol med koboltftalocyanin:kvantifiering av CO2 och CO-bindande styrkor och deras inflytande på metanolproduktion, ACS-katalys (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c04957
Journalinformation: ACS Catalysis
Tillhandahålls av University of Michigan
