kan katalyse ons redden van ons CO2-probleem?

planeet Aarde heeft een kooldioxideprobleem. Dagelijks horen we over CO2-emissies die bijdragen aan stijgende wereldwijde temperaturen en ongekende klimaatverandering. Menselijke activiteiten pompen jaarlijks naar schatting 37,1 miljard ton CO2 in de lucht, waarvan bijna 80% rechtstreeks afkomstig is van fossiele brandstoffen. Hoewel de emissies in sommige geavanceerde economieën afnemen, vertoont de wereldwijde trend van toenemende emissies weinig tekenen van vertraging – in feite zal 2019 naar verwachting een van de grootste stijgingen in atmosferische CO2-niveaus zien sinds de records zijn begonnen . Als de situatie voortduurt, zullen de kansen om de doelstellingen van het Akkoord van Parijs te halen tot niets afnemen en zal het spook van onomkeerbare klimaatchaos een angstaanjagende realiteit worden.

wetenschappers over de hele wereld werken aan manieren om dit probleem het hoofd te bieden, waaronder het opvangen van CO2 geproduceerd door de activiteiten van de mensheid. Maar hoe kunnen we, eenmaal gevangen, het CO2 dat gevormd is als bijproduct van zoveel processen, goed gebruiken? Sommigen zeggen het ondergronds op te slaan, anderen stellen voor dat we het moeten behandelen als een waardevolle bron die niet moet worden gedumpt. Bedrijven zijn al bezig met het commercialiseren van technologieën die opgevangen CO2 omzetten in bouwmaterialen, meststoffen en zelfs kunststoffen. Een ander voorstel is om het gas rechtstreeks te gebruiken voor verbeterde oliewinning, hoewel de groene referenties van deze optie twijfelachtig zijn.

een steeds actiever onderzoeksgebied is gericht op het benutten van hernieuwbare elektriciteit om ongewenste CO2 om te zetten in waardevolle chemicaliën. CO2 omzetten in brandstoffen en grondstoffen maakt niet alleen een vervuilend afvalproduct nuttig, maar vermindert ook onze afhankelijkheid van de fossiele brandstoffen die het in de eerste plaats produceren. “We proberen te zien, als we beginnen met CO2 als koolstofbron in plaats van als petroleumkoolstofbron, wat voor soort chemie we kunnen doen en wat voor soort producten we kunnen maken,” zegt Feng Jiao, die een groep leidt die onderzoek doet naar elektrochemische apparaten voor koolstofgebruik aan de Universiteit van Delaware.

het proces werkt in het algemeen door een geconcentreerde stroom CO2 in een elektrolysecel te voeren. Het CO2 wordt gereduceerd op het oppervlak van een elektrode en afhankelijk van het aantal overgedragen elektronen kan een reeks moleculen worden gemaakt. Deze producten worden gevormd in de elektrolyt en vervolgens naar een scheidingssysteem gevoerd, terwijl de elektrolyt en niet-gereageerde CO2 worden gerecycled. Veel voorkomende producten zijn koolmonoxide, methaan en mierenzuur. Maar meer complexe – en waardevolle-producten zoals ethanol en zelfs propanol zijn mogelijk.

Koolstofeconomie

Jiao heeft een diepgaande analyse uitgevoerd van de economie van grootschalige CO2-elektroreductie,en vorig jaar getuigde hij voor een Energiecommissie van de Amerikaanse Senaat over het potentieel van de technologie. Belangrijke financiële overwegingen zijn de prijs van opgevangen CO2, de materialen van de elektrolysers en hun levensduur, productzuivering en, cruciaal, de kosten van de elektriciteit die het proces drijft. ‘De elektriciteitskosten zijn echt aanzienlijk, het is ongeveer 70% van de totale werkingskosten’, merkt Jiao op. Dit betekent dat naarmate de kosten van elektriciteit uit hernieuwbare bronnen blijven dalen, elektrokatalytische omzetting van CO2 een aantrekkelijk vooruitzicht wordt. Huidige modellen suggereren dat tegen een elektriciteitsprijs van £ 0.03 / kWh, CO2-elektroreductie wordt een concurrerende manier om verschillende producten te produceren die vaker worden afgeleid van fossiele brandstoffen. Om dit in de context te plaatsen, onshore windprojecten produceren al elektriciteit tegen een prijs van minder dan £0,05 per kWh, met sommige consequent onder de £0,03 doelstelling.

een bijkomend voordeel van CO2-reductie ten opzichte van bijvoorbeeld elektrolytisch water om waterstof te maken, is dat de geproduceerde vloeibare koolwaterstofproducten klaar zijn om te worden gebruikt in bestaande energie-en vervoersinfrastructuur. Jiao merkt ook op dat elektrolyser-technologieën momenteel op kleine schaal worden gebruikt in het lab, maar inherent schaalbaar en geschikt zijn voor CO2-bronnen, zoals elektriciteitscentrales of chemische fabrieken. “Ik geloof dat deze technologie in relatief korte tijd kan worden geïmplementeerd,” voegt hij toe.

kan de technologie dus echt een deuk maken in de hoeveelheid CO2 die wereldwijd vrijkomt? Jiao schat dat het 1,5 biljoen Watt zou kosten-wat overeenkomt met ongeveer 8% van de totale energieproductie in de wereld – om de CO2 die alleen al door de Amerikaanse energiesector wordt uitgestoten om te zetten in de eenvoudigste producten. ‘Natuurlijk is dit een ingewikkeld probleem – je zult zeker niet in staat zijn om gewoon alle elektriciteit te nemen en deze conversie te doen, omdat andere plaatsen elektriciteit nodig hebben,’ zegt hij. Maar Jiao staat erop dat de noodzaak om te stoppen met het gebruik van fossiele brandstoffen, gekoppeld aan de groeiende beschikbaarheid van hernieuwbare elektriciteit, een unieke kans voor elektrochemische systemen zal creëren. “Maar vergeet niet dat elektrochemische CO2-conversie slechts een deel is van de weg om het CO2-emissieprobleem aan te pakken”, voegt Jiao toe. Hij voorspelt een toekomst waarin elektrokatalytische benaderingen fungeren als onderdeel van een reeks technologieën – waaronder thermochemische en biologische processen – om onze uitstootproblemen aan te pakken.

het realiseren van deze visie betekent het vinden van oplossingen voor een aantal kwesties. De overpotentiaal die nodig is om het proces aan te drijven moet omlaag, zodat er minder elektriciteit nodig is om de CO2 te verminderen. Het verhogen van de omzettingsefficiëntie is ook belangrijk – het omzetten van meer CO2 dat door het systeem stroomt in waardevolle brandstoffen en grondstoffen. Deze moeten worden gevormd in hoge concentraties met minimale nevenproducten, om de kosten-zowel financieel als energiek – van het scheiden van mengsels te verlagen. En de producten zelf moeten worden verbeterd – door complexere en waardevollere chemicaliën te creëren, wordt de technologie zuiniger, met een hoger rendement op de investering. Recente ontwikkelingen hebben vooruitgang geboekt op al deze doelen, het versterken van Jiao ‘ s visie dat deze technologie levensvatbaar zal zijn in de nabije toekomst.

er wordt nu veel gewerkt aan het uitbreiden van de soorten moleculen die je kunt maken. “De meest opwindende materialen voor de CO2-elektrolyse-gemeenschap zijn waarschijnlijk op koper gebaseerde katalysatoren”, legt Jiao uit. ‘Dat komt omdat deze koolstof – koolstofbindingen kunnen maken – zodat je C2-of zelfs C3-verbindingen kunt maken.’Ethyleen is bijzonder aantrekkelijk omdat het kan worden gebruikt om een enorm scala aan verbindingen te maken, terwijl ethanol en propanol kunnen worden gebruikt als brandstoffen.

oppervlakte-effecten

toonaangevende benaderingen vereisen dat CO2 eerst wordt gereduceerd tot CO, die vervolgens verder kan reageren. Een proces in twee stappen lijkt de meest waarschijnlijke weg vooruit voor elektrolyser technologieën. Nochtans, toonde één recent rapport een gouden en koper tandemkatalysator aan waarop gouden nanoparticles een hoge concentratie CO produceren, die dan verder tot alcoholen zoals ethylalcohol en n-propanol door een omringende koperfolie wordt verminderd.2 Dit systeem is 100 keer selectiever voor C2-producten dan enkelvoudige koolstofproducten zoals methaan of methanol.

de oppervlaktestructuur van de katalysator speelt een essentiële rol. Een elektrode samengesteld uit koper nanoparticles op een getextureerde grafeen-gebaseerde film werd getoond om ethanol uit CO2 in selectiviteiten zo hoog als 84% te produceren en elders, zijn borium-gedoteerde koperoppervlakken ook getoond om katalysatorstabiliteit en C2 productgeneratie te verbeteren. Jiao ‘ s groep heeft onlangs aangetoond dat zorgvuldige selectie van het koperen oppervlak blootgesteld in 2D nanosheets de vorming van gemeenschappelijke bijproducten kan onderdrukken terwijl het genereren van acetaat bij hoge snelheden en selectiviteiten.

Ted Sargent leidt een groep aan de Universiteit van Toronto, dat is al uitgebreid onderzoek naar de rollen die gebreken spelen in de catalyst prestaties. Zij ontwikkelden onlangs koperdeeltjes met speciaal op maat gemaakte nanocavities die de vorming van propanol aanmoedigen.3 de holtes vangen effectief C2-tussenproducten die een andere koolstof op hen forceren. Het systeem bereikte propanolselectiviteiten aanzienlijk hoger dan andere state-of-the-art katalysatoren. “Dit is een echte vooruitgang, het is een indrukwekkend hoge faradaic-efficiëntie voor C3-producten en het toont een handvat, de hefboom om CO-reductie te richten op drie-koolstofproducten”, zegt Sargent. De groep heeft ook aangetoond dat het introduceren van adparticles – clusters van laag gecoördineerde atomen-op elektrodeoppervlakken vergelijkbare indrukwekkende resultaten kan opleveren en Sargent gelooft dat verdere ontwikkelingen de productie van C4 en nog langere koolstofketens in de toekomst mogelijk zullen maken.

hoewel de mogelijkheid om deze complexe producten te maken een duidelijk voordeel is, verbeteren nieuwe innovaties ook de efficiëntie van elektrolysersystemen. Met name gasdiffusieelektroden overwinnen problemen die worden veroorzaakt door de lage oplosbaarheid van CO in waterige elektrolyten en maken hogere conversiepercentages mogelijk. Deze elektroden bevatten een poreuze laag waar het gas doorheen wordt gestuurd voordat het de katalysator bereikt. Sargent ‘ s groep toonde een katalysator gevormd uit een 100nm dikke laag koper afgezet op een koolstof-gebaseerde gasdiffusie laag die de productie van ethyleen uit CO2 met 70% selectiviteit mogelijk maakte.4 ondertussen heeft Jiao ‘ s team poreuze elektroden gebruikt in een systeem dat de snelst gerapporteerde elektroreductie van CO biedt aan producten met twee koolstofatomen lang en verder. Echter, zelfs in dit geval wordt slechts 26% van de totale Co die de cel binnenkomt omgezet in een enkele doorgang.5

gaszuigers

mogelijk bestaat er al een technische oplossing voor het conversieprobleem. In een andere recente studie, een team onder leiding van Stanford University Matt Kanan hergebruikt flow technologie die wordt gebruikt in de brandstofcelindustrie om de gasdiffusie te verbeteren. Het team gebruikte een interdigitated stroomveld om zoveel mogelijk gas in de gasdiffusielaag van de elektrode te forceren in een systeem dat natriumacetaat uit CO produceert.

‘Het eerste wat we deden was echt proberen om het maximaliseren van het vervoer van de MEDE aan de katalysator oppervlak en tegelijkertijd de afvoer van producten van de katalysator weer naar buiten”, legt Kanan. ‘En het tweede grote ding dat we deden was dat we speelden met de interface tussen de elektrode en de rest van de cel om echt te proberen om de hoeveelheid vloeibare elektrolyt te minimaliseren, zodat we geconcentreerde vloeibare productstromen konden produceren,’ voegt hij toe. Het systeem zorgt voor een indrukwekkende conversie van 68% van de CO die in één keer de cel binnenkomt.

naast het maken van brandstoffen en grondstoffen voor dagelijkse processen, zouden deze CO2-elektrolysers op een dag verder kunnen worden toegepast. Kanan ‘ s groep werkt samen met Nasa om CO2 om te zetten in voedsel en grondstoffen voor lange termijn ruimtemissies. “De kern van onze samenwerking is dat je microben kunt ontwikkelen om substraten te nemen en allerlei dingen te produceren die nuttig zijn voor het onderhouden van menselijk leven, waaronder voedsel en voedingsstoffen en vitamines”, legt Kanan uit. ‘Maar om bepaalde redenen kun je niet echt fotosynthetische organismen gebruiken, het is gewoon niet efficiënt genoeg om een fotoreactie in de ruimte te gebruiken.”

om microben in deze omstandigheden te ondersteunen, stelt Kanan ‘ s team voor om CO2 te recycleren dat door astronauten is uitgeademd. “Het blijkt dat als je een C2-substraat kunt maken, met name acetaat, er een aantal micro-organismen zijn die niet alleen kunnen groeien, maar acetaat kunnen gebruiken als koolstof-en energiebron voor biosynthese en voor het maken van allerlei nuttige dingen,” zegt Kanan.

hoewel deze vooruitgang veelbelovend is, is er nog werk aan de winkel. Een grote zorg is dat het meeste nieuwe onderzoek zich alleen richt op de efficiëntieverbeteringen aan de kant van de cel waar de reductie plaatsvindt. ‘Als Gemeenschap moeten we beginnen te kijken naar de totale energieconversie-efficiëntie, omdat onze techno – economische modellen allemaal laten zien dat je dit nodig hebt om de 50% te overschrijden en de meeste apparaten die we rapporteren liggen in het bereik van 20-30% – en dat zijn de beste.’zegt Sargent. “Het ontwerpen van benaderingen om maximale selectiviteit te bereiken in hoge stromen, maar in minimale spanning, blijft een hoge prioriteit.”

aantonen hoe de systemen vervolgens op grotere schaal kunnen worden ontworpen en aantonen van duurzaamheid zal ook een aanzienlijke uitdaging zijn. Het economische model van Jiao houdt rekening met commerciële CO2-reductiesystemen met een levensduur van 20 jaar. ‘Maar in het lab kunnen we nauwelijks een week testen – Er is dus een groot gat’, zegt hij.

er zijn ongetwijfeld nog hindernissen te overwinnen voordat deze technologie op grote schaal kan worden gebruikt, maar het gebruik van schone elektriciteit om CO2 om te zetten in brandstoffen en grondstoffen die snel in de bestaande infrastructuur kunnen worden geïntegreerd, is een belangrijk en haalbaar doel. Het veld trekt grote belangstelling van de academische wereld, start-ups en overheidsinstanties en ontwikkeling in de komende jaren zal cruciaal zijn als de technologie ons van onszelf wil redden.