Ett kostsamt steg i processen att ta ut koldioxidutsläpp och omvandla dem till användbara produkter som biobränslen och läkemedel kanske inte är nödvändigt, enligt forskare vid University of Michigan.
Artikeln är publicerad i tidskriften Environmental Science:Nano .
Koldioxid i jordens atmosfär är en viktig drivkraft för klimatförändringar, där förbränning av fossila bränslen står för 90 % av all CO2 utsläpp. Nya EPA-regler som infördes i april kräver att fossilbränsleanläggningar ska minska sina utsläpp av växthusgaser med 90 % till 2039.
Många forskare hävdar att lagring av CO2 skulle vara ett slöseri när kol behövs för att göra många produkter vi är beroende av dagligen, som kläder, parfym, flygbränsle, betong och plast. Men återvinning av CO2 kräver vanligtvis att den separeras från andra gaser – en process med en prislapp som kan vara oöverkomlig.
Nu kan nya typer av elektroder, förstärkta med en beläggning av bakterier, hoppa över det steget. Medan konventionella metallelektroder reagerar med svavel, syre och andra komponenter i luft och rökgaser, verkar bakterierna mindre känsliga för dem.
"Mikroberna på dessa elektroder, eller biokatalysatorer, kan använda mindre koncentrationer av CO2 och verkar mer robusta när det gäller att hantera föroreningar jämfört med elektroder som använder metallkatalysatorer", säger Joshua Jack, UM biträdande professor i civil- och miljöteknik och första författare till artikeln på omslaget till Environmental Science Nano.
"Plattformer som använder metaller verkar vara mycket känsligare för föroreningar och behöver ofta högre CO2 koncentrationer för att fungera. Så om du ville ta CO2 direkt från kraftverkens utsläpp, kanske den biotiska katalysatorn kan göra det med minimal rening av den gasen."
Eftersom CO2 är en av de mest stabila molekylerna, att få bort kolet från syret tar mycket energi, levererat i form av elektricitet. Till exempel tar metallelektroder bort en av syreatomerna, vilket resulterar i kolmonoxid, som kan matas in i ytterligare reaktioner för att göra användbara kemikalier. Men andra molekyler kan reagera med dessa elektroner också.
Mikroberna, däremot, kan vara mycket mer riktade. De samarbetar inte bara för att ta bort syre, utan med hjälp av elektroner från elektroden börjar de också bygga upp kolet till mer komplexa molekyler.
För att bedöma de potentiella kostnadsbesparingarna genom att använda biokatalysatorer för att hoppa över gasseparationssteget, analyserade Jacks team data från tidigare studier, och fastställde effektivitetsgrader för omvandling av olika avfallsgaser som innehåller CO2 . De använde sedan dessa uppgifter för att bedöma koldioxidavtrycket och produktionskostnaderna för olika CO2 -härledda produkter.
Resultaten visade att användning av förnybar el, som solceller, med en koncentrerad CO2 källa, utan gasseparering, möjliggör det lägsta koldioxidavtrycket och mest kostnadseffektiva produkter.
Men detta idealiska scenario är endast möjligt för särskilt ren och koncentrerad CO2 källor, såsom från jäsning vid bioetanolfabriker. Separerar CO2 från rökgaser vid förbränning av fossila bränslen kan kosta $40 till $100 per ton CO2 . Och för exceptionellt utspädda källor som vanlig luft kan kostnaden uppgå till $300 till $1 000 per ton.
Analysen visade att genom att använda avfallsgaser eller luft direkt, återvinning av CO2 från utspädda källor skulle kunna bli ekonomiskt lönsamma.
"Vår förhoppning är att påskynda skalbarheten av CO2 omvandlingstekniker för att mildra klimatförändringar och förbättra koldioxidcirkulariteten," sa Jack. "Vi vill snabbt minska koldioxidutsläppen från energi och nu även den kemiska industrin, inom en mycket snabbare tidsram."
Mer information: Joshua Jack et al, Electrified CO2 valorization in emerging nanotechnologies:a technical analysis of gas feedstock purity and nanomaterials in electrocatalytic and bio-electrocatalytic CO2 conversion, Environmental Science:Nano (2024). DOI:10.1039/D3EN00912B
Tillhandahålls av University of Michigan
