Om forskare kunde hitta ett sätt att kemiskt omvandla koldioxid till bränslen eller andra produkter, skulle de kunna göra ett stort hack i utsläppen av växthusgaser. Men många sådana processer som har verkat lovande i labbet har inte fungerat som förväntat i uppskalade format som skulle vara lämpliga för användning med ett kraftverk eller andra utsläppskällor.

Nu har forskare vid MIT identifierat, kvantifierat och modellerat en viktig orsak till dålig prestanda i sådana konverteringssystem. Boven visar sig vara en lokal utarmning av koldioxidgasen precis bredvid elektroderna som används för att katalysera omvandlingen. Problemet kan lindras, fann teamet, genom att helt enkelt pulsera strömmen av och på med specifika intervall, vilket ger tid för gasen att byggas upp igen till de nödvändiga nivåerna bredvid elektroden.

Resultaten, som kan stimulera framsteg med att utveckla en mängd olika material och konstruktioner för elektrokemiska koldioxidomvandlingssystem, publicerades idag i tidskriften Langmuir , i en artikel av MIT postdoc Álvaro Moreno Soto, doktorand Jack Lake och professor i maskinteknik Kripa Varanasi.

"Reducering av koldioxid är, tror jag, en av vår tids viktiga utmaningar", säger Varanasi. Medan mycket av forskningen inom området har fokuserat på kolavskiljning och -bindning, där gasen pumpas in i någon form av djup underjordisk reservoar eller omvandlas till ett inert fast ämne som kalksten, har en annan lovande väg varit att omvandla gasen till annat kol föreningar som metan eller etanol, som ska användas som bränsle, eller eten, som fungerar som en prekursor till användbara polymerer.

Det finns flera sätt att göra sådana omvandlingar, inklusive elektrokemiska, termokatalytiska, fototermiska eller fotokemiska processer. "Var och en av dessa har problem eller utmaningar," säger Varanasi. De termiska processerna kräver mycket hög temperatur, och de producerar inte särskilt högvärdiga kemiska produkter, vilket är en utmaning även med de ljusaktiverade processerna, säger han. "Effektivitet är alltid på spel, alltid ett problem."

Teamet har fokuserat på de elektrokemiska tillvägagångssätten, med ett mål att få "produkter med högre C" - föreningar som innehåller fler kolatomer och tenderar att vara mer värdefulla bränslen på grund av deras energi per vikt eller volym. I dessa reaktioner har den största utmaningen varit att stävja konkurrerande reaktioner som kan ske samtidigt, särskilt uppdelningen av vattenmolekyler till syre och väte.

Reaktionerna sker när en ström av flytande elektrolyt med koldioxiden löst i den passerar över en katalytisk metallyta som är elektriskt laddad. Men när koldioxiden omvandlas, lämnar den efter sig en region i elektrolytströmmen där den i huvudsak har använts, och därför vänder reaktionen inom denna utarmade zon mot vattendelning istället. Denna oönskade reaktion förbrukar energi och minskar avsevärt den totala effektiviteten av omvandlingsprocessen, fann forskarna.

"Det finns ett antal grupper som arbetar med det här, och ett antal katalysatorer som finns där ute," säger Varanasi. "I alla dessa tror jag att samutvecklingen av väte blir en flaskhals."

Ett sätt att motverka denna utarmning, fann de, kan uppnås genom ett pulsat system - en cykel där man helt enkelt stänger av spänningen, stoppar reaktionen och ger koldioxiden tid att sprida sig tillbaka till den utarmade zonen och nå användbara nivåer igen, och sedan återuppta reaktionen.

Ofta, säger forskarna, har grupper hittat lovande katalysatormaterial men har inte kört sina laboratorietester tillräckligt länge för att observera dessa utarmningseffekter, och har därför varit frustrerade när de försöker skala upp sina system. Dessutom bestämmer koncentrationen av koldioxid bredvid katalysatorn vilka produkter som tillverkas. Därför kan utarmning också förändra mixen av produkter som produceras och kan göra processen opålitlig. "Om du vill kunna göra ett system som fungerar i industriell skala måste du kunna köra saker över en lång tidsperiod", säger Varanasi, "och du behöver inte ha den här typen av effekter som minskar processens effektivitet eller tillförlitlighet."

Teamet studerade tre olika katalysatormaterial, inklusive koppar, och "vi fokuserade verkligen på att se till att vi förstod och kan kvantifiera utarmningseffekterna," säger Lake. I processen kunde de utveckla ett enkelt och tillförlitligt sätt att övervaka effektiviteten av omvandlingsprocessen när den sker, genom att mäta de förändrade pH-nivåerna, ett mått på surheten, i systemets elektrolyt.

I sina tester använde de mer sofistikerade analysverktyg för att karakterisera reaktionsprodukter, inklusive gaskromatografi för analys av de gasformiga produkterna, och kärnmagnetisk resonanskarakterisering för systemets flytande produkter. Men deras analys visade att den enkla pH-mätningen av elektrolyten bredvid elektroden under drift kunde ge ett tillräckligt mått på effektiviteten av reaktionen när den fortskred.

Denna förmåga att enkelt övervaka reaktionen i realtid kan i slutändan leda till ett system optimerat med maskininlärningsmetoder, som styr produktionshastigheten för de önskade föreningarna genom kontinuerlig feedback, säger Moreno Soto.

Nu när processen är förstådd och kvantifierad kan andra tillvägagångssätt för att mildra koldioxidutarmningen utvecklas, säger forskarna, och kan enkelt testas med deras metoder.

Detta arbete visar, säger Lake, att "oavsett vad ditt katalysatormaterial är" i ett sådant elektrokatalytiskt system, "kommer du att påverkas av det här problemet." Och nu, genom att använda modellen de utvecklade, är det möjligt att bestämma exakt vilken typ av tidsfönster som behöver utvärderas för att få en korrekt uppfattning om materialets totala effektivitet och vilken typ av systemoperationer som kan maximera dess effektivitet.