Nowy system opracowany na Uniwersytecie Michigan skutecznie wytwarza etylen z CO2, torując drogę przyszłej zrównoważonej produkcji paliw.
Zdolność do łączenia atomów węgla w łańcuchy jest kluczowym krokiem w kierunku ponownego wykorzystania CO2 do produkcji zrównoważonych paliw. Teraz naukowcy z Uniwersytetu Michigan opracowali sztuczny fotosynteza system, który może z niespotykaną dotąd wydajnością związać dwa z nich w węglowodory.
Ten przełomowy system wytwarza etylen z wydajnością, wydajnością i trwałością znacznie przewyższającą inne sztuczne systemy fotosyntezy. Ponieważ etylen jest węglowodorem zwykle stosowanym w tworzywach sztucznych, bezpośrednim zastosowaniem systemu byłoby zbieranie dwutlenku węgla, który w przeciwnym razie zostałby wypuszczony do atmosfery w celu wytworzenia tworzyw sztucznych.
Doskonała wydajność w produkcji etylenu
„Wydajność, czyli aktywność i stabilność, są około pięć do sześciu razy lepsze niż zwykle zgłaszane w przypadku energii słonecznej lub redukcji dwutlenku węgla do etylenu za pomocą światła” – powiedział Zetian Mi, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie im. Michigan i współautor badania w Synteza natury.
„Etylen jest właściwie najczęściej produkowanym związkiem organicznym na świecie. Jednak zazwyczaj wytwarza się go z ropy i gazu, w wysokich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem, a wszystko to powoduje emisję CO2”.
Zaawansowany proces fotokatalityczny i projektowanie urządzeń
Celem długoterminowym jest połączenie dłuższych łańcuchów atomów węgla i wodoru w celu wytworzenia paliw płynnych, które można łatwo transportować. Częścią wyzwania jest usunięcie całego tlenu z CO2 jako źródła węgla i wody, H2O, jako źródła wodoru.
Urządzenie pochłania światło na dwa sposoby półprzewodniki: las nanodrutów azotku galu, każdy o szerokości zaledwie 50 nanometrów (kilkaset atomów), oraz baza krzemowa, na której zostały wyhodowane. Reakcja przekształcająca wodę i dwutlenek węgla w etylen zachodzi na klastrach miedzi, każdy zawierający około 30 atomów, rozmieszczonych na nanodrutach.
Efektywna produkcja etylenu i perspektywy na przyszłość
Nanodruty zanurza się w wodzie wzbogaconej dwutlenkiem węgla i poddaje działaniu światła równoważnego światłu słonecznemu w południe. Energia światła uwalnia elektrony, które rozszczepiają wodę w pobliżu powierzchni nanodrutów azotku galu. W ten sposób powstaje wodór wprowadzany do reakcji etylenu, ale także tlen, który absorbuje azotek galu, tworząc tlenek azotku galu.
Miedź dobrze wiąże wodór i chwyta węgiel z dwutlenku węgla, zamieniając go w tlenek węgla. Zespół uważa, że dzięki domieszce wodoru i zastrzykowi energii ze światła dwie cząsteczki tlenku węgla łączą się z wodorem. Uważa się, że reakcja kończy się na styku miedzi i tlenku azotku galu, gdzie dwa atomy tlenu są usuwane i zastępowane trzema atomami wodoru z rozszczepiającej się wody.
Zespół odkrył, że 61% wolnych elektronów wygenerowanych przez półprzewodniki pod wpływem światła wzięło udział w reakcji prowadzącej do wytworzenia etylenu. Chociaż inny katalizator na bazie srebra i miedzi osiągnął podobną wydajność na poziomie około 50%, musiał pracować w płynie na bazie węgla i mógł działać tylko przez kilka godzin, zanim uległ degradacji. Dla porównania, urządzenie zespołu ze stanu Michigan działało przez 116 godzin bez zwalniania, a podobne urządzenia zespół pracował przez 3000 godzin.
Dzieje się tak częściowo z powodu synergistycznego związku pomiędzy azotkiem galu i procesem rozszczepiania wody: dodatek tlenu poprawia działanie katalizatora i umożliwia proces samonaprawy. Granice trwałości urządzenia zostaną zbadane w przyszłych pracach.
Wreszcie urządzenie wytwarzało etylen w ilości ponad czterokrotnie większej niż najbliższe konkurencyjne systemy.
„W przyszłości chcemy produkować inne związki wielowęglowe, takie jak propanol z trzema atomami węgla lub produkty płynne” – powiedział Bingxing Zhang, asystent naukowy UM w dziedzinie inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz pierwszy autor artykułu.
Ostatecznym celem Mi są paliwa płynne, dzięki którym wiele istniejących technologii transportowych stanie się zrównoważonymi.
Odniesienie: „Fotokatoda sprzężona międzyfazowo Cu-cluster/GaN do wydajnej konwersji CO2 do etylenu” autorstwa Bingxing Zhang, Peng Zhou, Zhengwei Ye, Ishtiaque Ahmed Navid, Yuyang Pan, Yixin Xiao, Kai Sun i Zetian Mi, 12 września 2024 r., Synteza natury.
DOI: 10.1038/s44160-024-00648-9
Badanie to zostało wsparte przez Biuro Badań Armii Stanów Zjednoczonych.
Urządzenie zostało zbudowane w r Zakład nanofabrykacji w Lurie i studiował na Centrum Charakterystyki Materiałów stanu Michigan. Zespół złożył wniosek o ochronę patentową przy wsparciu UM Innovation Partnerships i jest w trakcie udzielania licencji na technologię NX Fuels, start-upowi UM, którego współzałożycielem jest Mi. Mi i Uniwersytet Michigan mają udziały finansowe w NX Fuels.
