Detta schema visar elektrolysatorn som utvecklats vid Rice University för att minska koldioxid, en växthusgas, till värdefulla bränslen. Till vänster är en katalysator som väljer koldioxid och reducerar den till en negativt laddad formiat, som dras genom ett gasdiffusionsskikt (GDL) och anjonbytarmembranet (AEM) in i den centrala elektrolyten. Till höger, en syreutvecklingsreaktion (OER)-katalysator genererar positiva protoner från vatten och skickar dem genom katjonbytarmembranet (CEM). Jonerna rekombineras till myrsyra eller andra produkter som förs ut ur systemet av avjoniserat (DI) vatten och gas. Kredit:Chuan Xia och Demin Liu/Rice University
En vanlig växthusgas skulle kunna återanvändas på ett effektivt och miljövänligt sätt med en elektrolysator som använder förnybar el för att producera rena flytande bränslen.
Den katalytiska reaktorn som utvecklats av Rice Universitys labb av kemi- och biomolekylär ingenjör Haotian Wang använder koldioxid som råmaterial och, i sin senaste prototyp, producerar högrenat och höga koncentrationer av myrsyra.
Myrsyra som produceras av traditionella koldioxidanordningar behöver kostsamma och energikrävande reningssteg, Sa Wang. Den direkta produktionen av rena myrsyralösningar kommer att bidra till att främja kommersiell koldioxidomvandlingsteknik.
Metoden beskrivs i detalj Naturenergi .
Wang, som började på Rice's Brown School of Engineering i januari, och hans grupp eftersträvar teknologier som förvandlar växthusgaser till användbara produkter. I tester, den nya elektrokatalysatorn nådde en energiomvandlingseffektivitet på cirka 42 %. Det betyder att nästan hälften av den elektriska energin kan lagras i myrsyra som flytande bränsle.
"Myrsyra är en energibärare, " Wang sa. "Det är ett bränslecellsbränsle som kan generera elektricitet och släppa ut koldioxid - som du kan ta tag i och återvinna igen.
"Det är också grundläggande i kemiteknikindustrin som råvara för andra kemikalier, och ett lagringsmaterial för väte som kan innehålla nästan 1, 000 gånger energin för samma volym vätgas, som är svår att komprimera, ", sa han. "Det är för närvarande en stor utmaning för vätgasbränslecellsbilar."
Rice -universitetets ingenjör Haotian Wang justerar elektrokatalysreaktorn som byggdes i hans labb för att återvinna koldioxid för att producera flytande bränsle. Reaktorn är designad för att vara ett effektivt och lönsamt sätt att återanvända växthusgasen och hålla den borta från atmosfären. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
Två framsteg gjorde den nya enheten möjlig, sa huvudförfattaren och Rice postdoktorala forskaren Chuan Xia. Den första var hans utveckling av en robust, tvådimensionell vismutkatalysator och den andra en elektrolyt i fast tillstånd som eliminerar behovet av salt som en del av reaktionen.
"Vismut är en mycket tung atom, jämfört med övergångsmetaller som koppar, järn eller kobolt, " Wang sa. "Dess rörlighet är mycket lägre, speciellt under reaktionsbetingelser. Så det stabiliserar katalysatorn." Han noterade att reaktorn är strukturerad för att förhindra att vatten kommer i kontakt med katalysatorn, vilket också hjälper till att bevara det.
Xia kan tillverka nanomaterialen i bulk. "För närvarande, människor producerar katalysatorer på milligram- eller gramskalan, " sade han. "Vi utvecklade ett sätt att producera dem på kilogramskalan. Det kommer att göra vår process lättare att skala upp för industrin."
Den polymerbaserade fasta elektrolyten är belagd med sulfonsyraligander för att leda positiv laddning eller aminofunktionella grupper för att leda negativa joner. "Vanligtvis minskar människor koldioxid i en traditionell flytande elektrolyt som saltvatten, "Sa Wang." Du vill att elen ska ledas, men ren vattenelektrolyt är för resistent. Du måste lägga till salter som natriumklorid eller kaliumbikarbonat så att joner kan röra sig fritt i vatten.
"Men när du genererar myrsyra på det sättet, det blandas med salterna, ", sa han. "För de flesta applikationer måste du ta bort salterna från slutprodukten, vilket kräver mycket energi och kostnader. Så vi använde fasta elektrolyter som leder protoner och kan vara gjorda av olösliga polymerer eller oorganiska föreningar, eliminerar behovet av salter."
En elektrokatalysreaktor byggd vid Rice University återvinner koldioxid för att producera rena flytande bränslelösningar med el. Forskarna bakom uppfinningen hoppas att den ska bli ett effektivt och lönsamt sätt att återanvända växthusgasen och hålla den borta från atmosfären. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
Hastigheten med vilken vatten strömmar genom produktkammaren bestämmer lösningens koncentration. Långsam genomströmning med nuvarande inställning ger en lösning som består av nästan 30 viktprocent myrsyra, medan snabbare flöden gör att koncentrationen kan anpassas. Forskarna förväntar sig att uppnå högre koncentrationer från nästa generations reaktorer som accepterar gasflöde för att få ut rena myrsyraångor.
Rislabbet arbetade med Brookhaven National Laboratory för att se den pågående processen. "Röntgenabsorptionsspektroskopi, en kraftfull teknik tillgänglig vid Inner Shell Spectroscopy (ISS) strållinjen vid Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II, gör det möjligt för oss att undersöka den elektroniska strukturen hos elektrokatalysatorer i operando - det vill säga, under den faktiska kemiska processen, " sa medförfattaren Eli Stavitski, ledande strållinjeforskare vid ISS. "I det här arbetet, vi följde vismuts oxidationstillstånd vid olika potentialer och kunde identifiera katalysatorns aktiva tillstånd under koldioxidreduktion."
Med sin nuvarande reaktor, labbet genererade myrsyra kontinuerligt i 100 timmar med försumbar nedbrytning av reaktorns komponenter, inklusive katalysatorer i nanoskala. Wang föreslog att reaktorn lätt skulle kunna omarbetas för att producera så högvärdiga produkter som ättiksyra, etanol- eller propanolbränslen.
"Den stora bilden är att minskning av koldioxid är mycket viktig för dess effekt på den globala uppvärmningen såväl som för grön kemisk syntes, " sa Wang. "Om elen kommer från förnybara källor som solen eller vinden, vi kan skapa en slinga som förvandlar koldioxid till något viktigt utan att släppa ut mer av det."
