kan katalyse redde os fra vores CO2 problem?

planeten Jorden har et problem med kulsyre. Dagligt hører vi om CO2-emissioner, der bidrager til stigende globale temperaturer og hidtil usete klimaændringer. Menneskelige aktiviteter pumper anslået 37,1 milliarder ton CO2 i luften hvert år, næsten 80% af dette kommer direkte fra fossile brændstoffer. Mens emissionerne er i tilbagegang i nogle avancerede økonomier, viser den globale tendens med stigende emissioner ringe tegn på afmatning – faktisk forventes 2019 at se en af de største stigninger i atmosfæriske CO2-niveauer siden registreringer begyndte . Hvis situationen fortsætter, vil chancerne for at nå målene i Parisaftalen forsvinde til ingenting, og spøgelset af irreversibelt klimakaos vil blive en skræmmende virkelighed.

forskere over hele verden arbejder på måder at afværge dette problem – herunder at fange CO2 produceret af menneskehedens aktiviteter. Men når fanget, hvordan kan vi sætte CO2 dannet som et biprodukt af så mange processer til god brug? Nogle siger gemme det under jorden, andre foreslår, at vi bør behandle det som en værdifuld ressource, der ikke bør dumpes. Virksomheder kommercialiserer allerede teknologier, der omdanner fanget CO2 til byggematerialer, gødning og endda plast. Et andet forslag er at bruge gassen direkte til forbedret oliegenvinding, selvom de grønne legitimationsoplysninger for denne mulighed er tvivlsomme.

et stadig mere aktivt forskningsområde sigter mod at udnytte vedvarende elektricitet til at omdanne uønsket CO2 til værdifulde kemikalier. At omdanne CO2 til brændstoffer og råmaterialer gør ikke kun et forurenende affaldsprodukt til noget nyttigt, men reducerer også vores afhængighed af de fossile brændstoffer, der genererer det i første omgang. – Vi forsøger at se, om vi starter med CO2 som en kulstofkilde snarere end en petroleumskulstofkilde, hvilken slags kemi vi kan gøre, og hvilken slags produkter vi kan lave, siger Feng Jiao, der leder en gruppe, der undersøger elektrokemiske enheder til kulstofudnyttelse ved University of Dela.

processen virker generelt ved at tilføre en koncentreret strøm af CO2 til en elektrolysecelle. CO2 reduceres på overfladen af en elektrode, og afhængigt af antallet af overførte elektroner kan der laves en række molekyler. Disse produkter dannes i elektrolytten og føres derefter til et separationssystem, mens elektrolytten og uomsat CO2 genanvendes. Almindelige produkter er kulilte, methan og myresyre. Men mere komplekse – og værdifulde-produkter som ethanol og endda propanol er mulige.

Carbon economy

Jiao har gennemført en dybdegående analyse af økonomien i storskala CO2-elektroreduktion,1 og sidste år vidnede til et amerikansk Senats energiudvalg om teknologiens potentiale. De vigtigste økonomiske overvejelser er prisen på opsamlet CO2, elektrolysernes materialer og deres levetid, produktrensning og afgørende omkostningerne ved den elektricitet, der driver processen. ‘Elomkostningerne er virkelig betydelige, det er omkring 70% af de samlede driftsomkostninger,’ bemærker Jiao. Dette betyder, at da omkostningerne ved elektricitet fra vedvarende kilder fortsætter med at falde, bliver elektrokatalytisk omdannelse af CO2 et fristende perspektiv. Nuværende modeller antyder det til en elpris på kr.0.03 / KVH, CO2-elektroreduktion bliver en konkurrencedygtig måde at producere flere produkter, der mere almindeligt stammer fra fossile brændstofkilder. For at sætte dette i sammenhæng producerer vindprojekter på land allerede elektricitet til en mindre end 0,05 liter pr.

en ekstra fordel ved CO2-reduktion i forhold til for eksempel elektrolyse af vand til fremstilling af brint er, at de producerede flydende kulbrinteprodukter er klar til at indgå i eksisterende energi-og transportinfrastrukturer. Jiao bemærker også, at mens elektrolyserteknologier i øjeblikket anvendes i lille skala i laboratoriet, er de i sagens natur skalerbare og egnede til CO2-kilder, såsom kraftværker eller kemiske anlæg. ‘Jeg tror, at denne teknologi kan implementeres på relativt kort tid,’ tilføjer han.

så kan teknologien virkelig gøre en bule i de mængder CO2, der frigives globalt? Jiao vurderer, at det vil tage 1,5 billioner vand – svarende til omkring 8% af verdens samlede energiproduktion – at omdanne CO2 frigivet af den amerikanske energisektor alene til de enkleste produkter. ‘Selvfølgelig er dette et kompliceret problem-du vil bestemt ikke være i stand til bare at tage al elektricitet og foretage denne konvertering, fordi andre steder har brug for elektricitet,’ siger han. Men Jiao er overbevist om, at behovet for at stoppe med at bruge fossile brændstoffer kombineret med den voksende tilgængelighed af vedvarende elektricitet vil skabe en unik mulighed for elektrokemiske systemer. ‘Men glem ikke, elektrokemisk CO2-konvertering er bare en del af vejen til at tackle CO2-emissionsproblemet,’ tilføjer Jiao. Han forudsiger en fremtid, hvor elektrokatalytiske tilgange fungerer som en del af en række teknologier – herunder termokemiske og biologiske processer – for at tackle vores emissionsproblemer.

at realisere denne vision vil betyde at finde løsninger på en række problemer. De overpotentialer, der kræves for at drive processen, skal komme ned, så der kræves mindre elektricitet for at reducere CO2. Det er også vigtigt at øge konverteringseffektiviteten – omdanne mere af den CO2, der strømmer gennem systemet, til værdifulde brændstoffer og råmaterialer. Disse skal dannes i høje koncentrationer med minimale sideprodukter for at sænke omkostningerne-både økonomiske og energiske – ved at adskille blandinger. Og selve produkterne skal forbedres-ved at skabe mere komplekse og mere værdifulde kemikalier bliver teknologien mere økonomisk med et større investeringsafkast. De seneste fremskridt har gjort fremskridt med alle disse mål og styrket Jiaos opfattelse af, at denne teknologi vil være levedygtig i den nærmeste fremtid.

et stort arbejde går nu i at udvide de slags molekyler, du kan lave. ‘De mest spændende materialer til CO2-elektrolysesamfundet er sandsynligvis kobberbaserede katalysatorer,’ forklarer Jiao. Det skyldes, at disse kan lave kulstof – carbonbindinger-så du kan lave C2 eller endda C3-forbindelser. Ethylen er særligt attraktivt, da det kan bruges til at fremstille et stort udvalg af forbindelser, mens ethanol og propanol kan bruges som brændstoffer.

Overfladeeffekter

ledende tilgange kræver, at CO2 først reduceres til CO, som derefter kan reagere yderligere. En totrinsproces synes at være den mest sandsynlige vej frem for elektrolyserteknologier. Imidlertid, en nylig rapport demonstrerede en guld-og kobbertandemkatalysator, hvorpå guldnanopartikler genererer en høj koncentration af CO, som derefter reduceres yderligere til alkoholer såsom ethanol og n-propanol af en omgivende kobberfolie.2 Dette system er 100 gange mere selektivt for C2-produkter end enkeltcarbonprodukter som methan eller methanol.

katalysatorens overfladestruktur spiller en afgørende rolle. En elektrode bestående af kobbernanopartikler på en struktureret grafenbaseret film blev vist at generere ethanol fra CO2 i selektiviteter så høje som 84%, og andre steder har bordoterede kobberoverflader også vist sig at forbedre katalysatorstabiliteten og C2-produktgenerering. Jiaos gruppe har for nylig vist, at omhyggeligt valg af kobberoverfladen eksponeret i 2D nanoark kan undertrykke dannelsen af almindelige biprodukter, mens der genereres acetat ved høje hastigheder og selektiviteter.

Ted Sargent leder en gruppe ved University of Toronto, der i vid udstrækning har undersøgt de roller, som mangler spiller i catalyst-ydeevne. De udviklede for nylig kobberpartikler med specielt skræddersyede nanokaviteter, der tilskynder til dannelse af propanol.3 hulrummene fælder effektivt C2-mellemprodukter, der tvinger et andet kulstof på dem. Systemet opnåede propanol selectivities betydeligt højere end andre avancerede katalysatorer. ‘Dette er et rigtigt fremskridt, det er en imponerende høj faradaisk effektivitet for C3-produkter, og det viser et håndtag, håndtaget til at pege CO-reduktion mod tre-kulstofprodukter,’ siger Sargent. Gruppen har også vist, at introduktion af adpartikler – klynger af lavkoordinerede atomer-på elektrodeoverflader kan give lignende imponerende resultater, og Sargent mener, at yderligere udvikling vil muliggøre produktion af C4 og endnu længere kulstofkæder i fremtiden.

mens evnen til at fremstille disse komplekse produkter er en klar fordel, forbedrer nye innovationer også effektiviteten af elektrolysesystemer. Især overvinder gasdiffusionselektroder problemer, der skyldes CO ‘ s lave opløselighed i vandige elektrolytter og muliggør højere konverteringsfrekvenser. Disse elektroder inkorporerer et porøst lag, som gas sendes igennem, inden de når katalysatoren. Sargents gruppe demonstrerede en katalysator dannet af et 100 nm tykt lag kobber deponeret på et carbonbaseret gasdiffusionslag, der muliggjorde produktion af ethylen fra CO2 med 70% selektivitet.4 i mellemtiden har Jiaos team brugt porøse elektroder i et system, der tilbyder den hurtigste rapporterede elektroreduktion af CO til produkter, der er to carbonatomer langt ud over. Men selv i dette tilfælde konverteres kun 26% af den samlede CO, der kommer ind i cellen, i et enkelt pass.5

gasblus

en teknisk løsning på konverteringsproblemet findes muligvis allerede. I en anden nylig undersøgelse, et team ledet af Stanford University ‘ s Matt Kanan repurposed strømningsteknologi anvendt i brændselscelleindustrien for at forbedre gasdiffusion. Holdet brugte et interdigiteret strømningsfelt til at tvinge så meget gas som muligt ind i elektrodens gasdiffusionslag i et system, der producerer natriumacetat fra CO.

‘det første, vi gjorde, var virkelig at forsøge at maksimere transporten af CO til katalysatoroverfladen og samtidig udvindingen af produkter fra katalysatoren ud igen,’ forklarer Kanan. ‘Og så var den anden store ting, vi gjorde, at vi legede med grænsefladen mellem elektroden og resten af cellen for virkelig at forsøge at minimere mængden af flydende elektrolyt, så vi kunne producere koncentrerede flydende produktstrømme,’ tilføjer han. Systemet opnår en imponerende 68% konvertering af CO, der kommer ind i cellen i et enkelt pass.

bortset fra at fremstille brændstoffer og råmaterialer til hverdagsprocesser, kunne disse CO2-elektrolysere en dag have applikationer længere væk. Kanans gruppe arbejder sammen med Nasa for at omdanne CO2 til mad og råmaterialer til langsigtede rummissioner. ‘Kernen i vores samarbejde er, at du kan konstruere mikrober til at tage substrater og producere alle mulige ting, der er nyttige til at opretholde menneskeliv, herunder mad og næringsstoffer og vitaminer,’ forklarer Kanan. Men af visse grunde kan du ikke rigtig bruge fotosyntetiske organismer, det er bare ikke effektivt nok til at bruge en fotoreaktion i rummet.’

for at støtte mikrober under disse forhold foreslår Kanans team genbrug af CO2, der indåndes af astronauter. ‘Det viser sig, at hvis du kan lave et C2-substrat, især acetat, er der en række mikroorganismer, der ikke kun kan vokse, men kan bruge acetat som deres kulstof og energikilde til biosyntese og til at lave alle mulige nyttige ting,’ siger Kanan.

mens disse fremskridt er lovende, er der stadig arbejde, der skal gøres. En stor bekymring er, at de fleste nye forskning kun fokuserer på effektiviteten på den side af cellen, hvor reduktionen finder sted. Som samfund er vi nødt til at begynde at se på den samlede effektkonverteringseffektivitet, fordi vores teknoøkonomiske modeller alle viser, at du har brug for dette for at overstige 50%, og de fleste af de enheder, vi rapporterer, ligger i intervallet 20-30%-og det er de bedste.’siger Sargent. ‘Udformning af tilgange til opnåelse af maksimal selektivitet i høje strømme, men i minimal spænding, forbliver en høj prioritet.’

at vise, hvordan systemerne derefter kan konstrueres på større skalaer og demonstrere holdbarhed, vil også være en betydelig udfordring. Jiaos økonomiske model betragter kommercielle CO2-reduktionssystemer med en levetid på 20 år. ‘Men i laboratoriet kan vi næppe teste en uge-så der er et betydeligt hul der,’ siger han.

der er utvivlsomt stadig forhindringer, der skal overvindes, før denne teknologi kan bruges i skala, men at bruge ren elektricitet til at omdanne CO2 til brændstoffer og råmaterialer, der hurtigt kan integreres med eksisterende infrastruktur, er et vigtigt og opnåeligt mål. Feltet tiltrækker stor interesse fra Akademia, nystartede virksomheder og offentlige agenturer, og udvikling i de næste par år vil være afgørende, hvis teknologien skal hjælpe med at redde os fra os selv.