Forskare vid Case Western Reserve University utvecklar sätt att omvandla avfall till bränslen och andra produkter, genom att använda processer som är energieffektiva och drivs av förnybara källor.
Mer specifikt är de nära att lösa utmaningen att omvandla koldioxid (CO2 ), en stor växthusgas, till värdefulla kemikalier som använder elektricitet.
CO2 kan vara ett användbart råmaterial för tillverkning av råvarukemikalier och bränslen. Men processen att skapa den nödvändiga reaktionen är inte lätt eftersom det kräver höga tryck, höga temperaturer och speciella material.
"Vårt moderna samhälle är i ett kritiskt behov av teknik som kan fånga upp CO2 från avfall – eller till och med luft – och omvandla det till produkter under godartade förhållanden", säger Burcu Gurkan, professor i kemiteknik vid Case School of Engineering. "Elektrokemisk omvandling av koldioxid är ett olöst problem som är mer än 150 år gammalt."
Hittills har forskningen främst fokuserat på att utveckla katalysatormaterial och förstå den energiintensiva CO2 omvandlingsreaktion i vattenbaserade elektrolyter. Ändå kvarstår utmaningar eftersom vattenbaserade system har begränsad kapacitet för CO2 . Dessutom inkluderar processen oönskade sidoreaktioner, såsom utsläpp av vätgas.
Men i en studie publicerad i höstas i den europeiska tidskriften Angewandte Chemie , visade forskargruppen från Case Western Reserve att de joniska vätskorna de utvecklade effektivt fångar och omvandlar CO2 i en elektrokemisk process.
Joniska vätskor är salter som smälter under 100°C. De som Gurkans grupp utvecklade är flytande i rumstemperatur. Dessa joniska vätskor är också unika genom att de har hög kapacitet för CO2 fånga och bibehålla elektrokemisk stabilitet. Som ett resultat uppnådde teamet den önskade elektrokemiska processen.
"Vårt tillvägagångssätt fokuserar på joniska flytande elektrolyter som kan förändra termodynamiken och produktfördelningen på grund av kinetiska effekter som kan justeras ytterligare, tack vare flexibiliteten i jonisk vätskedesign," sa Gurkan.
Studien, ledd av Oguz Kagan Coskun, en doktorand i Gurkans grupp, kombinerade spektroskopiska och elektroanalytiska tekniker för att avslöja de grundläggande mekanismerna som är nödvändiga för joniska vätskor för att aktivera CO2 reduktionsreaktion vid kopparelektrodytan.
Gruppen rapporterade att de behövde mindre energi för att driva reaktionen och noterade att det kunde leda till skapandet av en mängd olika industriellt relevanta produkter – utan de oönskade biprodukter som finns i den traditionella elektrolysprocessen.
Vidare förklarar rapporten avgörande aspekter som påverkar reaktionsmiljöns egenskaper för effektiv användning av CO2 . Denna ytterligare information bidrar till en djupare förståelse av reaktionsmiljön, särskilt vad gäller okonventionella elektrolyter.
Teamet planerar att undersöka de individuella reaktionsstegen ytterligare för att informera efterföljande elektrolytdesigner. Det slutliga målet:bättre kontroll över kemikalierna från reaktionen och föra fram de elektrokemiska metoderna för CO2 återvinning.
Mer information: Oguz Kagan Coskun et al, Tailoring Electrochemical CO2 Reduction on Copper by Reactive Ionic Liquid and Native Hydrogen Bond Donors, Angewandte Chemie (2023). DOI:10.1002/ange.202312163
Journalinformation: Angewandte Chemie
Tillhandahålls av Case Western Reserve University
