Koppar - grejer med öre och tekokare - är också en av få metaller som kan förvandla koldioxid till kolvätebränslen med relativt lite energi. När den formas till en elektrod och stimuleras med spänning, koppar fungerar som en stark katalysator, sätter igång en elektrokemisk reaktion med koldioxid som reducerar växthusgasen till metan eller metanol.

Olika forskare runt om i världen har studerat koppars potential som ett energieffektivt sätt att återvinna koldioxidutsläpp i kraftverk:Istället för att släppas ut i atmosfären, koldioxid skulle cirkuleras genom en kopparkatalysator och omvandlas till metan - som sedan kan driva resten av anläggningen. Ett sådant självförsörjande system kan avsevärt minska utsläppen av växthusgaser från koleldade och naturgasdrivna anläggningar.

Men koppar är temperamentsfullt:lätt oxiderad, som när en gammal slant blir grön. Som ett resultat, metallen är instabil, som avsevärt kan bromsa sin reaktion med koldioxid och producera oönskade biprodukter som kolmonoxid och myrsyra.

Nu har forskare vid MIT kommit fram till en lösning som ytterligare kan minska energin som behövs för koppar för att omvandla koldioxid, samtidigt som metallen blir mycket stabilare. Gruppen har konstruerat små nanopartiklar av koppar blandat med guld, som är resistent mot korrosion och oxidation. Forskarna observerade att bara en touch av guld gör koppar mycket stabilare. I experiment, de belade elektroder med hybridnanopartiklar och fann att mycket mindre energi behövdes för att dessa konstruerade nanopartiklar skulle reagera med koldioxid, jämfört med nanopartiklar av ren koppar.

Ett dokument med detaljerade resultat kommer att dyka upp i tidskriften Kemisk kommunikation ; forskningen finansierades av National Science Foundation. Medförfattare Kimberly Hamad-Schifferli från MIT säger att resultaten pekar på ett potentiellt energieffektivt sätt att minska koldioxidutsläppen från kraftverk.

"Du måste normalt lägga mycket energi på att omvandla koldioxid till något nyttigt, säger Hamad-Schifferli, en docent i maskinteknik och biologisk teknik. "Vi visade att hybridkoppar-guld nanopartiklar är mycket mer stabila, och har potential att sänka den energi du behöver för reaktionen.”

Blir liten

Teamet valde att konstruera partiklar i nanoskala för att "få mer valuta för pengarna, ” Hamad-Schifferli säger:Ju mindre partiklar, desto större yta är tillgänglig för interaktion med koldioxidmolekyler. "Du kan ha fler platser där koldioxiden kan komma och sticka ner och förvandlas till något annat, " säger hon.

Hamad-Schifferli arbetade med Yang Shao-Horn, Gail E. Kendall docent i maskinteknik vid MIT, postdoc Zichuan Xu och Erica Lai ’14. Teamet bestämde sig för guld som en lämplig metall att kombinera med koppar främst på grund av dess kända egenskaper. (Forskare har tidigare kombinerat guld och koppar i mycket större skala, noterar att kombinationen förhindrade koppar från att oxidera.)

För att göra nanopartiklarna, Hamad-Schifferli och hennes kollegor blandade salter som innehöll guld till en lösning av kopparsalter. De värmde lösningen, skapa nanopartiklar som smälter koppar med guld. Xu satte sedan nanopartiklarna genom en serie reaktioner, omvandla lösningen till ett pulver som användes för att belägga en liten elektrod.

För att testa nanopartiklarnas reaktivitet, Xu placerade elektroden i en bägare med lösning och bubblade in koldioxid i den. Han applicerade en liten spänning på elektroden, och mätte den resulterande strömmen i lösningen. Teamet resonerade att den resulterande strömmen skulle indikera hur effektivt nanopartiklarna reagerade med gasen:om CO2-molekyler reagerade med platser på elektroden - och sedan släppte för att tillåta andra CO2-molekyler att reagera med samma platser - skulle strömmen se ut som en viss potential nåddes, indikerar regelbunden "omsättning". Om molekylerna monopoliserade platser på elektroden, reaktionen skulle sakta ner, fördröja uppkomsten av strömmen vid samma potential.

Teamet fann slutligen att potentialen som användes för att nå en jämn ström var mycket mindre för hybridkoppar-guld-nanopartiklar än för ren koppar och guld - en indikation på att mängden energi som krävdes för att köra reaktionen var mycket lägre än vad som krävdes när man använder nanopartiklar gjord av ren koppar.

Går framåt, Hamad-Schifferli säger att hon hoppas kunna titta närmare på strukturen hos guld-koppar-nanopartiklarna för att hitta en optimal konfiguration för att omvandla koldioxid. Än så länge, teamet har visat effektiviteten hos nanopartiklar som består av en tredjedel guld och två tredjedelar koppar, samt två tredjedelar guld och en tredjedel koppar.

Hamad-Schifferli erkänner att beläggning av elektroder i industriell skala delvis med guld kan bli dyrt. Dock, hon säger, energibesparingarna och återanvändningspotentialen för sådana elektroder kan balansera initialkostnaderna.

"Det är en avvägning, ” säger Hamad-Schifferli. "Guld är uppenbarligen dyrare än koppar. Men om det hjälper dig att få en produkt som är mer attraktiv som metan istället för koldioxid, och med lägre energiförbrukning, då kan det vara värt det. Om du kunde återanvända den om och om igen, och hållbarheten är högre på grund av guldet, det är en bock i pluskolumnen."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.