Grafenkvantprickar kan erbjuda ett enkelt sätt att återvinna avfall koldioxid till värdefullt bränsle istället för att släppa ut det i atmosfären eller begrava det under jorden, enligt forskare från Rice University.

Kväve-dopade grafenkvantprickar (NGQD) är en effektiv elektrokatalysator för att göra komplexa kolväten av koldioxid, enligt forskargruppen som leds av rismaterialforskaren Pulickel Ajayan. Med hjälp av elektrokatalys, hans laboratorium har visat omvandlingen av växthusgasen till små satser av eten och etanol.

Forskningen är detaljerad denna vecka i Naturkommunikation .

Även om de inte helt förstår mekanismen, forskarna fann att NGQD fungerade nästan lika effektivt som koppar, som också testas som en katalysator för att reducera koldioxid till flytande bränslen och kemikalier. Och NGQD behåller sin katalytiska aktivitet under lång tid, rapporterade de.

"Det är förvånande eftersom människor har provat alla olika typer av katalysatorer. Och det finns bara några få riktiga val som koppar, "Ajayan sa." Jag tycker att det vi fann är i grunden intressant, eftersom det ger en effektiv väg för att screena nya typer av katalysatorer för att omvandla koldioxid till produkter med högre värde. "

Dessa problem är knappast en hemlighet. Atmosfärisk koldioxid steg över 400 delar per miljon tidigare i år, det högsta det har varit på minst 800, 000 år, mätt genom iskärnanalys.

"Om vi ​​kan omvandla en stor del av koldioxiden som släpps ut, vi kan dämpa de stigande halterna av atmosfäriska koldioxidhalter, som har kopplats till klimatförändringar, "sa medförfattaren Paul Kenis från University of Illinois.

I laboratorietester, NGQD visade sig kunna minska koldioxid med upp till 90 procent och omvandla 45 procent till antingen eten eller alkohol, jämförbar med kopparelektrokatalysatorer.

Grafenkvantprickar är atomtjocka ark med kolatomer som har delats upp i partiklar som är ungefär en nanometer tjocka och bara några nanometer breda. Tillsatsen av kväveatomer till prickarna möjliggör varierande kemiska reaktioner när en elektrisk ström appliceras och ett råmaterial som koldioxid införs.

"Kol är vanligtvis inte en katalysator, "Ajayan sa." En av våra frågor är varför denna dopning är så effektiv. När kväve sätts in i det sexkantiga grafitgitteret, det finns flera positioner det kan ta. Var och en av dessa positioner, beroende på var kväve sitter, bör ha olika katalytisk aktivitet. Så det har varit ett pussel, och även om människor har skrivit många papper under de senaste fem till tio åren om att dopat och defekt kol är katalytiskt, pusslet är inte riktigt löst. "

"Våra resultat tyder på att det pyridiniska kvävet (en basisk organisk förening) som sitter vid kanten av grafenkvantprickar leder den katalytiska omvandlingen av koldioxid till kolväten, "sa Rice postdoktor Jingjie Wu, medledande författare till tidningen. "Nästa uppgift är att ytterligare öka kvävekoncentrationen för att öka utbytet av kolväten."

Ajayan noterade att medan elektrokatalys är effektiv i laboratorievågar för närvarande, industrin förlitar sig på skalbar termisk katalys för att producera bränslen och kemikalier. "Av den anledningen, företag kommer förmodligen inte att använda den någon gång snart för storskalig produktion. Men elektrokatalys kan enkelt göras i laboratoriet, och vi visade att det kommer att vara användbart i utvecklingen av nya katalysatorer. "