En ny katalysator gjord av en billig, riklig metall och vanligt bordssocker har kraften att förstöra koldioxid (CO2 ) gas.
I en ny Northwestern University-studie omvandlade katalysatorn framgångsrikt CO2 till kolmonoxid (CO), en viktig byggsten för att producera en mängd användbara kemikalier. När reaktionen sker i närvaro av väte, till exempel CO2 och väte omvandlas till syntesgas (eller syngas), en mycket värdefull prekursor för att producera bränslen som potentiellt kan ersätta bensin.
Med de senaste framstegen inom teknik för avskiljning av koldioxid blir kolavskiljning efter förbränning ett rimligt alternativ för att hjälpa till att tackla den globala klimatförändringskrisen. Men hur man hanterar det fångade kolet är fortfarande en öppen fråga. Den nya katalysatorn skulle potentiellt kunna ge en lösning för att göra sig av med den potenta växthusgasen genom att omvandla den till en mer värdefull produkt.
Studien, med titeln "En aktiv, stabil kubisk molybdenkarbidkatalysator för högtemperaturomvänd vatten-gasskiftningsreaktion", publiceras i tidskriften Science .
"Även om vi slutade släppa ut CO2 nu skulle vår atmosfär fortfarande ha ett överskott av CO2 som ett resultat av industriella aktiviteter från de senaste århundradena", säger Northwesterns Milad Khoshoei, som medledde studien.
"Det finns ingen enskild lösning på det här problemet. Vi måste minska CO2 utsläpp och hitta nya sätt att minska CO2 koncentration som redan finns i atmosfären. Vi bör dra nytta av alla möjliga lösningar."
"Vi är inte den första forskargruppen som omvandlar CO2 till en annan produkt", säger Northwesterns Omar K. Farha, studiens seniorförfattare. "Men för att processen ska vara verkligt praktisk krävs en katalysator som uppfyller flera avgörande kriterier:prisvärdhet, stabilitet, enkel produktion och skalbarhet. Att balansera dessa fyra element är nyckeln. Lyckligtvis utmärker vårt material sig i att uppfylla dessa krav."
Farha är expert på kolavskiljningsteknik och är professorn Charles E. och Emma H. Morrison i kemi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. Efter att ha påbörjat detta arbete som Ph.D. kandidat vid University of Calgary i Kanada, Khoshoei är nu postdoktor i Farhas laboratorium.
Hemligheten bakom den nya katalysatorn är molybdenkarbid, ett extremt hårt keramiskt material. Till skillnad från många andra katalysatorer som kräver dyra metaller, som platina eller palladium, är molybden en billig, oädel metall som innehåller mycket jord.
För att omvandla molybden till molybdenkarbid behövde forskarna en källa till kol. De upptäckte ett billigt alternativ på ett oväntat ställe:skafferiet. Överraskande nog fungerade socker – det vita granulerade slaget som finns i nästan alla hushåll – som en billig och bekväm källa till kolatomer.
"Varje dag som jag försökte syntetisera dessa material, tog jag socker till labbet från mitt hem," sa Khoshoei. "Jämfört med andra klasser av material som vanligtvis används för katalysatorer, är vårt otroligt billigt."
När de testade katalysatorn blev Farha, Khoshoei och deras medarbetare imponerade av dess framgång. I drift vid omgivningstryck och höga temperaturer (300–600 grader Celsius), omvandlade katalysatorn CO2 till CO med 100 % selektivitet.
Hög selektivitet betyder att katalysatorn endast verkade på CO2 utan att störa omgivande material. Med andra ord skulle industrin kunna tillämpa katalysatorn på stora volymer av infångade gaser och selektivt inrikta sig endast på CO2 . Katalysatorn förblev också stabil över tiden, vilket betyder att den förblev aktiv och inte bröts ned.
"Inom kemi är det inte ovanligt att en katalysator förlorar sin selektivitet efter några timmar," sa Farha. "Men efter 500 timmar under svåra förhållanden förändrades inte dess selektivitet."
Detta är särskilt anmärkningsvärt eftersom CO2 är en stabil – och envis – molekyl.
"Konverterar CO2 är inte lätt," sa Khoshoei. "CO2 är en kemiskt stabil molekyl, och vi var tvungna att övervinna den stabiliteten, som tar mycket energi."
Att utveckla material för kolavskiljning är ett stort fokus på Farhas laboratorium. Hans grupp utvecklar metallorganiska ramverk (MOF), en klass av mycket porösa material i nanostorlek som Farha liknar med "sofistikerade och programmerbara badsvampar." Farha utforskar MOF:er för olika tillämpningar, inklusive att dra CO2 direkt från luften.
Nu säger Farha att MOF:er och den nya katalysatorn skulle kunna arbeta tillsammans för att spela en roll i kolavskiljning och -bindning.
"Vid någon tidpunkt skulle vi kunna använda en MOF för att fånga CO2 , följt av en katalysator som omvandlar den till något mer fördelaktigt," föreslog Farha. "Ett tandemsystem som använder två distinkta material för två på varandra följande steg kan vara vägen framåt."
"Detta kan hjälpa oss att svara på frågan:'Vad gör vi med fångad CO2 ?'" tillade Khoshoei.
"Just nu är planen att binda den under jord. Men underjordiska reservoarer måste uppfylla många krav för att säkert och permanent lagra CO2 . Vi ville designa en mer universell lösning som kan användas var som helst samtidigt som det tillför ekonomiskt värde."
Mer information: Milad Ahmadi Khoshooei et al, En aktiv, stabil kubisk molybdenkarbidkatalysator för den omvända reaktionen mellan vatten och gas vid hög temperatur, Science (2024). DOI:10.1126/science.adl1260. www.science.org/doi/10.1126/science.adl1260
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Northwestern University
