Se det som återvinning på nanoskala:en lockande elektrokemisk process som kan skörda kol innan det blir luftföroreningar och omstrukturera det till komponenterna i vardagsprodukter.
Strävan att fånga upp luftburen koldioxid från industriavfall och göra den till bränsle och plast tar fart efter att ett team av forskare baserade vid McMaster University, som arbetar med beräkningskemiexperter vid Köpenhamns danska tekniska universitet, har avslöjat exakt hur processen fungerar och var det myrar.
Deras arbete publiceras i tidskriften Nature Communications .
Forskarna försökte lösa varför syntetiska material som har visat sig katalysera och omvandla koldioxid bryts ner för snabbt för att processen ska vara praktisk på industriell nivå.
Med hjälp av extremt kraftfull förstoringsutrustning vid Canadian Center for Electron Microscopy (CCEM), som är baserat på McMasters campus, kunde forskarna fånga den kemiska reaktionen i nanoskala – miljarddelar av en meter – vilket gjorde det möjligt för dem att studera både omvandlingsprocessen och förstå hur katalysatorn bryts ner under driftsförhållanden.
Huvudförfattaren Ahmed Abdellah ägnade år åt att utveckla teknikerna som gjorde det möjligt att observera processen, med hjälp av en elektrokemisk reaktor som är liten nog att arbeta under elektronmikroskopen i centrum.
"Det är spännande för oss att det här är första gången någon har kunnat titta på både formerna på dessa strukturer och deras kristallstrukturer, för att se hur de utvecklas på nanoskala", säger Abdellah, en före detta Ph.D. student vid Drew Higgins kemitekniska labb och nu postdoktor vid CCEM.
Higgins, motsvarande författare till tidningen, hoppas att den nya informationen kommer att underlätta den globala ansträngningen att minska koldioxidutsläppen genom att dra bort koldioxid från avfallsströmmar och istället återvinna den för att skapa användbara produkter som annars skulle produceras av fossila bränslen.
"Vad vi har funnit är att katalysatorer som kan omvandla koldioxid till bränslen och kemikalier omstruktureras ganska snabbt under driftsförhållanden. Deras strukturer förändras och deras egenskaper förändras, mitt framför våra ögon", säger Higgins. "Det dikterar hur effektiva de är på att omvandla koldioxid och hur länge de håller. Katalysatorerna försämras så småningom och slutar fungera och vi vill veta varför de gör det och hur de gör det så att vi kan utveckla strategier för att förbättra deras driftslivslängder. "
Abdellah, Higgins och deras kollegor hoppas att de och andra forskare runt om i världen kan använda forskningsresultaten som beskrivs i den nya artikeln för att få de reaktiva materialen att hålla längre och katalysera processen mer effektivt, så att den labbbaserade processen kan skalas upp för kommersiellt bruk.
Branscher som cementtillverkning, bryggning och destillering, såväl som kemiska raffinaderier, producerar stora volymer av lätt återvinningsbar koldioxid, förklarar Higgins, vilket gör dem till troliga första mål för att rulla ut tekniken när den väl har förbättrats till den punkt där den är kommersiellt gångbar. .
Andra mindre koncentrerade former av CO2 i industriavfall skulle komma härnäst.
Även om det är ett långt skott idag, säger Higgins att det är möjligt att samma teknik kan bli tillräckligt effektiv och stabil för att dra koldioxid från omgivande luft som "råvara" för bränsle och användbara kemikalier.
"Vi är fortfarande en bit bort, men framstegen har varit mycket snabba inom detta område av forskning och utveckling under de senaste fem åren eller så," säger Higgins. "För tio år sedan tänkte folk inte på den här typen av konvertering, men nu börjar vi se löften. Effektivitet och hållbarhet är dock inte tillräckligt hög än. När väl dessa flaskhalsar har tagits bort kan den här idén verkligen ta av."
Mer information: Ahmed M. Abdellah et al, Impact of palladium/palladium hydride conversion on electrochemical CO2-reduction via in-situ transmission electron microscopy and diffraction, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45096-3
Tillhandahålls av McMaster University
