kan katalyse redde OSS FRA VÅRT CO2-problem?

Planeten Jorden har et karbondioksidproblem. PÅ DAGLIG basis hører VI OM CO2-utslipp som bidrar til stigende globale temperaturer og enestående klimaendringer. Menneskelige aktiviteter pumper anslagsvis 37, 1 milliarder tonn CO2 i luften hvert år, nesten 80% av dette kommer direkte fra fossile brensler. Mens utslippene er i tilbakegang i noen avanserte økonomier, viser den globale trenden med økende utslipp lite tegn på å bremse – faktisk forventes 2019 å se en av de største økningene i atmosfærisk CO2-nivå siden poster begynte . Hvis situasjonen fortsetter, vil sjansene for å møte målene I Paris-Avtalen synke bort til ingenting, og spekteret av irreversibelt klimakaos vil bli en skremmende realitet.

Forskere rundt om i verden jobber med måter å avverge dette problemet-inkludert å fange CO2 produsert av menneskehetens aktiviteter. Men når vi er fanget, hvordan kan VI sette CO2 dannet som et biprodukt av så mange prosesser til god bruk? Noen sier lagre det under jorden, andre foreslår at vi bør behandle det som en verdifull ressurs som ikke bør dumpes. Bedrifter kommersialiserer allerede teknologier som konverterer fanget CO2 til byggematerialer, gjødsel og til og med plast. Et annet forslag er å bruke gassen direkte for økt oljeutvinning, selv om de grønne legitimasjonene til dette alternativet er tvilsomme.

Et stadig mer aktivt forskningsområde tar sikte på å utnytte fornybar elektrisitet for å omdanne uønsket CO2 til verdifulle kjemikalier. Å omdanne CO2 til drivstoff og råstoff gjør ikke bare et forurensende avfallsprodukt til noe nyttig, men reduserer også vår avhengighet av fossile brensler som genererer det i utgangspunktet. – Vi prøver å se om VI starter MED CO2 som en karbonkilde i stedet for en petroleumskarbonkilde, hva slags kjemi vi kan gjøre og hva slags produkter vi kan lage, sier Feng Jiao, som leder en gruppe som forsker på elektrokjemiske enheter for karbonutnyttelse ved University Of Delaware.

prosessen virker vanligvis ved å mate en konsentrert strøm AV CO2 inn i en elektrolysecelle. CO2 reduseres på overflaten av en elektrode, og avhengig av antall elektroner som overføres, kan en rekke molekyler gjøres. Disse produktene dannes i elektrolytten og mates deretter til et separasjonssystem, mens elektrolytten og uomsatt CO2 resirkuleres. Vanlige produkter er karbonmonoksid, metan og maursyre. Men mer komplekse – og verdifulle-produkter som etanol og til og med propanol er mulige.

Karbonøkonomi

Jiao har gjennomført en grundig analyse av økonomien i stor SKALA CO2 electroreduction, 1 og i fjor vitnet til EN Us Senate energy committee om potensialet i teknologien. Viktige økonomiske hensyn er prisen PÅ fanget CO2, elektrolysørens materialer og deres levetid, produktrensing og, avgjørende, kostnaden for strømmen som driver prosessen. ‘Strømkostnaden er veldig betydelig, det handler om 70% av den totale driftskostnaden,’ bemerker Jiao. Dette betyr at når kostnadene for elektrisitet fra fornybare kilder fortsetter å falle, blir elektrokatalytisk konvertering AV CO2 et spennende prospekt. Nåværende modeller tyder på at til en strømpris på £0.03 / kWh, co2 electroreduction blir en konkurransedyktig måte å produsere flere produkter mer vanlig avledet fra fossile brenselkilder. For å sette dette i sammenheng, produserer vindprosjekter på land allerede elektrisitet til under 0,05 per kWh, med noen konsekvent under målet for 0,03.

EN ekstra fordel MED co2-reduksjon over for eksempel elektrolysering av vann for å lage hydrogen, er at de flytende hydrokarbonproduktene som genereres er klare til å mate inn eksisterende energi-og transportinfrastrukturer. Jiao observerer også at mens elektrolyserteknologier for tiden brukes i liten skala i laboratoriet, er de iboende skalerbare og egnet FOR CO2-kilder, for EKSEMPEL kraftverk eller kjemiske anlegg. – Jeg tror denne teknologien kan implementeres på relativt kort tid, legger han til.

så kan teknologien virkelig gjøre en forskjell i mengden CO2 som slippes ut globalt? Jiao anslår at det vil ta 1, 5 billioner watt-tilsvarende rundt 8% av verdens totale energiproduksjon – for å konvertere CO2 utgitt av DEN AMERIKANSKE energisektoren alene til de enkleste produktene. -Selvfølgelig er dette et komplisert problem – du vil definitivt ikke kunne bare ta all strøm og gjøre denne konverteringen, fordi andre steder trenger strøm, sier han. Men Jiao er overbevist om at behovet for å slutte å bruke fossile brensler, kombinert med den økende tilgjengeligheten av fornybar elektrisitet, vil skape en unik mulighet for elektrokjemiske systemer. ‘Men ikke glem, elektrokjemisk CO2-konvertering er bare en del AV veien for Å løse CO2-utslippsproblemet,’ legger Jiao. Han forutser en fremtid der elektrokatalytiske tilnærminger fungerer som en del av en serie teknologier – inkludert termokjemiske og biologiske prosesser – for å takle våre utslippsproblemer.

Å Realisere denne visjonen vil bety å finne løsninger på en rekke problemer. Overpotensialene som kreves for å drive prosessen må komme ned, slik at mindre strøm er nødvendig for å redusere CO2. Å øke konverteringseffektiviteten er også viktig-å omdanne MER AV CO2 som strømmer gjennom systemet til verdifulle drivstoff og råstoffer. Disse må dannes i høye konsentrasjoner med minimale sideprodukter, for å redusere kostnadene – både økonomiske og energiske – for å skille blandinger. Og produktene selv må forbedres – ved å skape mer komplekse og mer verdifulle kjemikalier blir teknologien mer økonomisk, med større avkastning på investeringen. Nylige fremskritt har gjort fremskritt på alle disse målene, og styrker Jiaos syn på at denne teknologien vil være levedyktig i nær fremtid.

Mye arbeid går nå inn i å utvide de typer molekyler du kan lage. – De mest spennende materialene FOR co2-elektrolysesamfunnet er trolig kobberbaserte katalysatorer, forklarer Jiao. Det er fordi disse kan lage karbon-karbonbindinger-slik at Du kan lage C2 eller Til Og Med C3-forbindelser. Etylen er spesielt attraktivt da det kan brukes til å lage et stort utvalg av forbindelser, mens etanol og propanol kan brukes som drivstoff.

Overflateeffekter

Ledende tilnærminger krever AT CO2 først reduseres TIL CO, som deretter kan reagere videre. En to-trinns prosess synes den mest sannsynlige veien fremover for elektrolyserteknologi. Imidlertid viste en nylig rapport en gull-og kobbertandemkatalysator hvor gull nanopartikler genererer en høy konsentrasjon AV CO, som deretter reduseres ytterligere til alkoholer som etanol og n-propanol ved en omgivende kobberfolie.2 Dette systemet er 100 ganger mer selektivt For C2-produkter enn enkeltkarbonprodukter som metan eller metanol.

overflatestrukturen til katalysatoren spiller en viktig rolle. En elektrode bestående av kobber nanopartikler på en strukturert grafenbasert film ble vist å generere etanol FRA CO2 i selektiviteter så høyt som 84% , og andre steder har bordopede kobberflater også vist seg å forbedre katalysatorstabilitet og C2-produktgenerering. Jiao gruppe har nylig vist at nøye utvalg av kobber overflaten eksponert I 2D nanosheets kan undertrykke dannelsen av vanlige biprodukter mens generere acetat ved høye priser og selectivities.

Ted Sargent leder en gruppe Ved University Of Toronto som har blitt grundig undersøke rollene som defekter spille i catalyst ytelse. De har nylig utviklet kobberpartikler med spesialtilpassede nanokaviteter som oppmuntrer til dannelsen av propanol.3 hulrommene fanger Effektivt C2 mellomprodukter som tvinger et annet karbon på dem. Systemet oppnådde propanol selectivities betydelig høyere enn andre state-of-the-art katalysatorer. – Dette er et virkelig fremskritt, det er en imponerende høy faradaisk effektivitet For C3-produkter, og det viser et håndtak, spaken for å peke CO-reduksjon mot tre-karbonprodukter, sier Sargent. Gruppen har også vist at innføring av adpartikler-klynger av lavkoordinerte atomer-på elektrodeoverflater kan gi tilsvarende imponerende resultater, Og Sargent mener at videre utvikling vil muliggjøre produksjon Av C4 og enda lengre karbonkjeder i fremtiden.

selv om evnen til å lage disse komplekse produktene er en klar fordel, forbedrer nye innovasjoner også effektiviteten til elektrolysesystemer. Spesielt er gassdiffusjonselektroder overvinne problemer som skyldes CO ‘ s lave oppløselighet i vandige elektrolytter og muliggjør høyere konverteringsfrekvenser. Disse elektrodene inneholder et porøst lag som gass sendes gjennom før de når katalysatoren. Sargents gruppe demonstrerte en katalysator dannet av et 100 nm tykt lag av kobber avsatt på et karbonbasert gassdiffusjonslag som muliggjorde produksjon av etylen FRA CO2 med 70% selektivitet.4 I Mellomtiden Har Jiaos team brukt porøse elektroder i et system som gir den raskeste rapporterte elektroreduksjonen AV CO til produkter to karboner lenge og utover. Men selv i dette tilfellet omdannes bare 26% AV den totale CO som kommer inn i cellen i et enkelt pass.5

Gass guzzlers

det kan allerede finnes en teknisk løsning på konverteringsproblemet. I En annen nylig studie, et team ledet Av Stanford Universitys Matt Kanan repurposed flyt teknologi som brukes i brenselcelleindustrien for å forbedre gassdiffusjon. Teamet brukte et interdigitert strømningsfelt for å tvinge så mye gass som mulig inn i gassdiffusjonslaget av elektroden i et system som produserer natriumacetat FRA CO.

‘det første vi gjorde var virkelig å prøve å maksimere transporten AV CO til katalysatoroverflaten og samtidig utvinning av produkter fra katalysatoren tilbake, forklarer Kanan. – Og så var det andre store vi gjorde, at vi spilte med grensesnittet mellom elektroden og resten av cellen for å virkelig prøve å minimere mengden flytende elektrolytt, slik at vi kunne produsere konsentrerte væskeproduktstrømmer, legger han til. Systemet oppnår en imponerende 68% konvertering AV CO som kommer inn i cellen i et enkelt pass.

bortsett fra å lage drivstoff og råvarer til hverdagsprosesser, kan DISSE CO2-elektrolysørene en dag ha applikasjoner lenger unna. Kanans gruppe jobber med Nasa for å omdanne CO2 til mat og råvarer for langsiktige romoppdrag. – Kjernen i samarbeidet vårt er at du kan konstruere mikrober for å ta underlag og produsere alle slags ting som er nyttige for å opprettholde menneskelivet, inkludert mat og næringsstoffer og vitaminer, forklarer Kanan. Men av visse grunner kan du egentlig ikke bruke fotosyntetiske organismer, det er bare ikke effektivt nok til å bruke en fotoreaksjon i rommet.’

for å støtte mikrober under disse forholdene, Foreslår Kanans team resirkulering AV CO2 pustet ut av astronauter. ‘Det viser seg at hvis Du kan lage Et c2-substrat, spesielt acetat, er det en rekke mikroorganismer som ikke bare kan vokse, men kan bruke acetat som karbon-og energikilde for biosyntese og for å lage alle slags nyttige ting, sier Kanan.

mens disse fremskrittene er lovende, er det fortsatt arbeid å gjøre. En stor bekymring er at de fleste ny forskning bare fokuserer på effektiviteten på siden av cellen der reduksjonen finner sted. Som et fellesskap må vi begynne å se på den generelle effektiviteten i kraftkonvertering fordi våre teknoøkonomiske modeller alle viser at du trenger dette til å overstige 50% , og de fleste enhetene vi rapporterer er i 20-30% – og de er de beste. Sier Sargent. – Å utarbeide tilnærminger for å oppnå maksimal selektivitet i høye strømmer, men i minimal spenning, forblir en høy prioritet.’

Å Vise hvordan systemene deretter kan konstrueres på større skalaer og demonstrere holdbarhet vil også være en betydelig utfordring. Jiaos økonomiske modell vurderer kommersielle co2-reduksjonssystemer med en levetid på 20 år. – Men i laboratoriet kan vi knapt teste en uke – så det er et betydelig gap der, sier han.

Det Er Utvilsomt fortsatt hindringer å overvinne før denne teknologien kan brukes i stor skala, men bruk av ren elektrisitet til å konvertere CO2 TIL drivstoff og råstoff som raskt kan integreres med eksisterende infrastruktur er et viktig og oppnåelig mål. Feltet tiltrekker seg stor interesse fra akademia, oppstart og myndigheter, og utvikling de neste årene vil være avgjørende for at teknologien skal bidra til å redde oss fra oss selv.