Forskere gør fremskridt inden for grøn kemi med ny katalysator til reduktion af kuldioxid

Forskere ved Oregon State University har gjort et vigtigt fremskridt i den grønne kemi-bestræbelse på at omdanne drivhusgassen kuldioxid til genanvendelige former for kulstof via elektrokemisk reduktion.

Udgivet i Nature Energy, undersøgelsen ledet af Zhenxing Feng fra OSU College of Engineering og kolleger ved Southern University of Science and Technology i Kina og Stanford University beskriver en ny type elektrokatalysator.

Katalysatoren kan selektivt fremme en CO_{2 reduktionsreaktion, der resulterer i et ønsket produkt - carbonmonoxid var valget i denne forskning. En katalysator er alt, der fremskynder hastigheden af en kemisk reaktion uden at blive forbrugt af reaktionen.}

"Reduktionen af kuldioxid er gavnlig for et rent miljø og bæredygtig udvikling," sagde Feng, assisterende professor i kemiteknik. "I modsætning til traditionel CO₂ reduktion, der bruger kemiske metoder ved høje temperaturer med et stort behov for ekstra energi, kan elektrokemiske CO₂ reduktionsreaktioner være udføres ved stuetemperatur ved hjælp af flydende opløsning. Og den elektricitet, der kræves til elektrokemisk CO_{2 reduktion, kan opnås fra vedvarende energikilder såsom solenergi, hvilket muliggør helt grønne processer."}

En reduktionsreaktion betyder, at et af de involverede atomer får en eller flere elektroner. I den elektrokemiske reduktion af kuldioxid har metalnanokatalysatorer vist potentialet til selektivt at reducere CO_{2 til et bestemt kulstofprodukt. Kontrol af nanostrukturen er afgørende for at forstå reaktionsmekanismen og for at optimere ydeevnen af nanokatalysatoren i jagten på specifikke produkter, såsom kulilte, myresyre eller metan, der er vigtige for andre kemiske processer og produkter.}

"På grund af mange mulige reaktionsveje for forskellige produkter har kuldioxidreduktionsreaktioner historisk set haft lav selektivitet og effektivitet," sagde Feng. "Elektrokatalysatorerne er nødt til at fremme reaktionen med høj selektivitet for at få et bestemt produkt, kulilte i vores tilfælde. På trods af mange anstrengelser på dette område var der kun sket få fremskridt."

Feng og hans forskningsmedledere prøvede en ny strategi. De fremstillede nikkelphthalocyanin som en molekylært konstrueret elektrokatalysator og fandt ud af, at den viste overlegen effektivitet ved høje strømtætheder til at konvertere CO_{2 til kulilte i en gasdiffusionselektrodeanordning med stabil drift i 40 timer.}

"For at forstå reaktionsmekanismen for vores katalysator brugte min gruppe på OSU røntgenabsorptionsspektroskopi til at overvåge katalysatorens ændring under reaktionsprocesserne, hvilket bekræftede katalysatorens rolle i reaktionen," sagde Feng."Dette samarbejde demonstrerer en højtydende katalysator for grønne processer af elektrokemiske CO_{2 reduktionsreaktioner. Det kaster også lys over vores katalysators reaktionsmekanisme, som kan guide den fremtidige udvikling af energi konverteringsenheder, mens vi arbejder hen imod en negativ kulstoføkonomi."}

The National Science Foundation, Department of Energy, Guangdong Provincial Key Laboratory of Catalysis, Oregon State University, National Natural Science Foundation of China og Guangdong-Hong Kong-Macao Joint Laboratory for Photonic-Thermal-Electrical Energimaterialer og -enheder understøttede denne forskning.

Maoyu Wang og Marcos Lucero fra OSU var blandt samarbejdspartnerne, som også omfattede videnskabsmænd fra Yale University, Northwestern University og Argonne National Laboratory.

Sammen med Feng er Yang-Gang Wang og Yongye Liang fra Southern University of Science and Technology undersøgelsens medkorresponderende forfattere.