kan katalys rädda oss från vårt CO2-problem?

planeten jorden har ett koldioxidproblem. Dagligen hör vi om CO2-utsläpp som bidrar till stigande globala temperaturer och aldrig tidigare skådade klimatförändringar. Mänskliga aktiviteter pumpar uppskattningsvis 37,1 miljarder ton CO2 i luften varje år, nästan 80% av detta kommer direkt från fossila bränslen. Medan utsläppen minskar i vissa avancerade ekonomier, visar den globala trenden med ökande utsläpp lite tecken på avmattning – i själva verket förväntas 2019 se en av de största ökningarna i atmosfäriska CO2-nivåer sedan rekord började . Om situationen fortsätter kommer chanserna att uppfylla målen i Parisavtalet att minska till ingenting och spöket av oåterkalleligt klimatkaos kommer att bli en skrämmande verklighet.

forskare runt om i världen arbetar på sätt att avvärja detta problem – inklusive att fånga CO2 som produceras av mänsklighetens aktiviteter. Men en gång fångad, hur kan vi sätta CO2 som bildas som en biprodukt av så många processer till god användning? Vissa säger lagra den under jord, andra föreslår att vi bör behandla det som en värdefull resurs som inte bör dumpas. Företag kommersialiserar redan teknik som omvandlar fångad CO2 till byggmaterial, gödselmedel och till och med plast. Ett annat förslag är att använda gasen direkt för förbättrad oljeåtervinning, även om de gröna referenserna för detta alternativ är tveksamma.

ett allt mer aktivt forskningsområde syftar till att utnyttja förnybar el för att förvandla oönskad CO2 till värdefulla kemikalier. Att förvandla CO2 till bränslen och råvaror förvandlar inte bara en förorenande avfallsprodukt till något användbart, utan minskar också vårt beroende av de fossila bränslen som genererar det i första hand. – Vi försöker se, om vi börjar med CO2 som en kolkälla snarare än en petroleumkolkälla, vilken typ av kemi vi kan göra och vilken typ av produkter vi kan göra, säger Feng Jiao, som leder en grupp som undersöker elektrokemiska anordningar för kolutnyttjande vid University of Delaware.

processen fungerar i allmänhet genom att mata en koncentrerad ström av CO2 i en elektrolyscell. CO2 reduceras på ytan av en elektrod och beroende på antalet överförda elektroner kan ett antal molekyler göras. Dessa produkter bildas i elektrolyten och matas sedan till ett separationssystem, medan elektrolyten och oreagerad CO2 återvinns. Vanliga produkter är kolmonoxid, metan och myrsyra. Men mer komplexa – och värdefulla-produkter som etanol och till och med propanol är möjliga.

Carbon economy

Jiao har genomfört en djupgående analys av ekonomin i storskalig CO2 elektroreduktion,1 och förra året vittnade om en amerikansk senat energiutskott om teknikens potential. Viktiga ekonomiska överväganden är priset på Fångad CO2, elektrolysers material och deras livslängd, produktrening och, avgörande, kostnaden för den el som driver processen. ‘Elkostnaden är verkligen betydande, det handlar om 70% av den totala driftskostnaden,’ noterar Jiao. Detta innebär att när kostnaden för el från förnybara källor fortsätter att falla, blir elektrokatalytisk omvandling av CO2 ett spännande perspektiv. Nuvarande modeller tyder på att till ett elpris på 0.03 / kWh, CO2 elektroreduktion blir ett konkurrenskraftigt sätt att producera flera produkter som oftare härrör från fossila bränslekällor. För att sätta detta i sammanhang producerar vindprojekt på land redan el på mindre än 0,05 0,05 per kWh, med vissa konsekvent under 0,03-målet för 0,03.

en extra fördel med CO2-minskning jämfört med till exempel elektrolysering av vatten för att göra väte är att de flytande kolväteprodukterna som genereras är redo att matas in i befintlig energi-och transportinfrastruktur. Jiao observerar också att medan elektrolyserteknologier för närvarande används i liten skala i labbet, är de i sig skalbara och lämpliga för CO2-källor, såsom kraftverk eller kemiska anläggningar. – Jag tror att den här tekniken kan implementeras på relativt kort tid, tillägger han.

så kan tekniken verkligen göra en dugg i de mängder CO2 som släpps globalt? Jiao uppskattar att det skulle ta 1, 5 biljoner Watt – motsvarande cirka 8% av världens totala energiproduktion – för att omvandla CO2 som släpptes av den amerikanska energisektorn ensam till de enklaste produkterna. – Det här är naturligtvis ett komplicerat problem – du kommer definitivt inte att kunna ta all el och göra denna omvandling, eftersom andra platser behöver El, säger han. Men Jiao är övertygad om att behovet av att sluta använda fossila bränslen, i kombination med den växande tillgången på förnybar el, kommer att skapa en unik möjlighet för elektrokemiska system. ‘Men glöm inte, elektrokemisk CO2-omvandling är bara en del av vägen för att ta itu med CO2-utsläppsfrågan, tillägger Jiao. Han förutspår en framtid där elektrokatalytiska tillvägagångssätt fungerar som en del av en serie tekniker – inklusive termokemiska och biologiska processer – för att ta itu med våra utsläppsproblem.

att förverkliga denna vision kommer att innebära att man hittar lösningar på ett antal frågor. De överpotentialer som krävs för att driva processen måste komma ner, så att mindre el behövs för att minska CO2. Att öka omvandlingseffektiviteten är också viktigt-omvandla mer av CO2 som flyter genom systemet till värdefulla bränslen och råvaror. Dessa måste bildas i höga koncentrationer med minimala sidoprodukter för att sänka kostnaderna-både ekonomiska och energiska – för att separera blandningar. Och själva produkterna måste förbättras-genom att skapa mer komplexa och mer värdefulla kemikalier blir tekniken mer ekonomisk med större avkastning på investeringen. De senaste framstegen har gjort framsteg på alla dessa mål, vilket stärker Jiao: s uppfattning att denna teknik kommer att vara livskraftig inom en snar framtid.

en hel del arbete går nu till att expandera de typer av molekyler du kan göra. – De mest spännande materialen för CO2-elektrolysgemenskapen är förmodligen kopparbaserade katalysatorer, förklarar Jiao. ‘Det beror på att dessa kan göra kol-kolbindningar-så att du kan göra C2 eller till och med C3-föreningar.- Etylen är särskilt attraktivt eftersom det kan användas för att göra ett stort antal föreningar, medan etanol och propanol kan användas som bränslen.

Yteffekter

Ledande tillvägagångssätt kräver att CO2 först reduceras till CO, som sedan kan reagera ytterligare. En tvåstegsprocess verkar vara den mest troliga vägen framåt för elektrolyserteknik. En ny rapport visade emellertid en guld-och koppartandemkatalysator på vilken guldnanopartiklar genererar en hög koncentration av CO, som sedan reduceras ytterligare till alkoholer såsom etanol och n-propanol av en omgivande kopparfolie.2 Detta system är 100 gånger mer selektivt för C2-produkter än enstaka kolprodukter som metan eller metanol.

katalysatorns ytstruktur spelar en viktig roll. En elektrod bestående av kopparnanopartiklar på en texturerad grafenbaserad film visade sig generera etanol från CO2 i selectivities så hög som 84% och på andra håll har bordopade kopparytor också visat sig förbättra katalysatorstabilitet och C2-produktgenerering. Jiao grupp har nyligen visat att noggrant urval av kopparytan exponeras i 2D nanosheets kan undertrycka bildandet av vanliga biprodukter samtidigt generera acetat vid höga hastigheter och selectivities.

Ted Sargent leder en grupp vid University of Toronto som i stor utsträckning har undersökt de roller som defekter spelar i catalyst-prestanda. De utvecklade nyligen kopparpartiklar med specialanpassade nanokaviteter som uppmuntrar bildandet av propanol.3 hålrummen fångar effektivt C2-mellanprodukter som tvingar ett annat kol på dem. Systemet uppnådde propanol selectivities betydligt högre än andra state-of-the-art katalysatorer. – Det här är ett riktigt framsteg, det är en imponerande hög faradaisk effektivitet för C3-produkter och det visar ett handtag, spaken för att peka Co-reduktion mot tre-kolprodukter, säger Sargent. Gruppen har också visat att införande av adpartiklar-kluster av lågkoordinerade atomer-på elektrodytor kan ge liknande imponerande resultat och Sargent tror att ytterligare utveckling kommer att möjliggöra produktion av C4 och ännu längre kolkedjor i framtiden.

medan förmågan att göra dessa komplexa produkter är en klar fördel, förbättrar nya innovationer också effektiviteten hos elektrolysersystem. I synnerhet övervinner gasdiffusionselektroder problem som orsakas av CO: s låga löslighet i vattenhaltiga elektrolyter och möjliggör högre omvandlingsfrekvenser. Dessa elektroder innehåller ett poröst skikt som gas skickas igenom innan de når katalysatorn. Sargents grupp demonstrerade en katalysator bildad av ett 100 nm tjockt lager av koppar avsatt på ett kolbaserat gasdiffusionsskikt som möjliggjorde produktion av eten från CO2 med 70% selektivitet.4 under tiden har Jiaos team använt porösa elektroder i ett system som erbjuder den snabbaste rapporterade elektroreduktionen av CO till produkter två kol långt och bortom. Men även i detta fall konverteras endast 26% av den totala CO som kommer in i cellen i ett enda pass.5

Gas guzzlers

en teknisk lösning på konverteringsproblemet kan redan finnas. I en annan nyligen genomförd studie, ett team som leds av Stanford University Matt Kanan repurposed flödesteknik som används i bränslecellsindustrin för att förbättra gasdiffusion. Teamet använde ett interdigiterat flödesfält för att tvinga så mycket gas som möjligt in i elektrodens gasdiffusionsskikt i ett system som producerar natriumacetat från CO.

‘det första vi gjorde var att verkligen försöka maximera transporten av CO till katalysatorytan och samtidigt extraktionen av produkter från katalysatorn tillbaka, förklarar Kanan. ‘Och sedan den andra stora sak som vi gjorde var att vi spelade med gränssnittet mellan elektroden och resten av cellen för att verkligen försöka minimera mängden flytande elektrolyt så att vi kunde producera koncentrerade flytande produktströmmar,’ tillägger han. Systemet uppnår en imponerande 68% omvandling av CO som kommer in i cellen i ett enda pass.

förutom att göra bränslen och råvaror för vardagliga processer, kan dessa CO2-elektrolysorer en dag ha applikationer längre bort. Kanans grupp arbetar med Nasa för att förvandla CO2 till mat och råvaror för långsiktiga rymduppdrag. – Kärnan i vårt samarbete är att du kan konstruera mikrober för att ta substrat och producera alla möjliga saker som är användbara för att upprätthålla människoliv inklusive mat och näringsämnen och vitaminer, förklarar Kanan. Men av vissa skäl kan du inte riktigt använda fotosyntetiska organismer, det är bara inte tillräckligt effektivt för att använda en fotoreaktion i rymden.’

för att stödja mikrober under dessa förhållanden föreslår Kanans team återvinning av CO2 som andas ut av astronauter. – Det visar sig att om du kan göra ett C2-substrat, särskilt acetat, finns det ett antal mikroorganismer som inte bara kan växa utan kan använda acetat som sin kol-och energikälla för biosyntes och för att göra alla möjliga användbara saker, säger Kanan.

medan dessa framsteg är lovande, finns det fortfarande arbete att göra. En stor oro är att de flesta ny forskning bara fokuserar på effektiviteten på den sida av cellen där minskningen sker. Som ett samhälle måste vi börja titta på den totala effektomvandlingseffektiviteten eftersom våra teknoekonomiska modeller Alla visar att du behöver detta för att överstiga 50% och de flesta enheter som vi rapporterar ligger i intervallet 20-30% – och de är de bästa. säger Sargent. Att utforma tillvägagångssätt för att uppnå maximal selektivitet i höga strömmar, men i minsta spänning, förblir en hög prioritet.’

att visa hur systemen sedan kan konstrueras på större skalor och visa hållbarhet kommer också att vara en stor utmaning. Jiaos ekonomiska modell betraktar kommersiella CO2-reduktionssystem med en livslängd på 20 år. – Men i labbet kan vi knappt testa en vecka-så det finns ett stort gap där, säger han.

utan tvekan finns det fortfarande hinder att övervinna innan denna teknik kan användas i stor skala, men att använda Ren el för att omvandla CO2 till bränslen och råvaror som snabbt kan integreras med befintlig infrastruktur är ett viktigt och uppnåeligt mål. Fältet lockar stort intresse från akademi, nystartade företag och myndigheter och utveckling under de närmaste åren kommer att vara avgörande om tekniken ska hjälpa till att rädda oss från oss själva.