Kleine koper ‘bloemen’ bloeien op kunstmatige bladeren voor schone brandstofproductie

Tiny Copper ‘Nano-Flowers’ zijn bevestigd aan een kunstmatig blad om schone brandstoffen en chemicaliën te produceren die de ruggengraat zijn van moderne energie en productie.

De onderzoekers, van de Universiteit van Cambridge en de Universiteit van Californië, Berkeley, ontwikkelden een praktische manier om koolwaterstoffen – moleculen gemaakt van koolstof en waterstof – uitsluitend door de zon te maken.

Het apparaat dat ze hebben ontwikkeld, combineert een licht absorberend ‘blad’ gemaakt van een zeer efficiënte zonnecelmateriaal genaamd perovskiet, met een koperen nanoflower katalysator, om koolstofdioxide om te zetten in bruikbare moleculen. In tegenstelling tot de meeste metalen katalysatoren, die alleen CO kunnen converteren₂ In een koolstofarme moleculen maken de koperen bloemen de vorming van meer complexe koolwaterstoffen mogelijk met twee koolstofatomen, zoals ethaan en ethyleen-key-bouwstenen voor vloeibare brandstoffen, chemicaliën en kunststoffen.

Bijna alle koolwaterstoffen komen momenteel voort uit fossiele brandstoffen, maar de methode ontwikkeld door het Cambridge-Berkeley-team resulteert in schone chemicaliën en brandstoffen gemaakt van CO₂water en glycerol – een gemeenschappelijke organische verbinding – zonder extra koolstofemissies. De resultaat worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurkatalyse.

De studie bouwt voort op het eerdere werk van het team kunstmatige bladerendie hun inspiratie uit fotosynthese haalt: het proces waarmee planten zonlicht omzetten in voedsel.

“We wilden verder gaan dan de basisreductie van koolstofdioxide en meer complexe koolwaterstoffen produceren, maar dat vereist aanzienlijk meer energie,” zei Dr. Virgil Andrei van Cambridge’s Yusuf Hamied Department of Chemistry, de hoofdauteur van de studie.

Andrei, een onderzoeker van St. John’s College, Cambridge, voerde het werk uit als onderdeel van het Winton Cambridge-Kavli Ensi-uitwisselingsprogramma in het lab van professor Peidong Yang aan de Universiteit van Californië, Berkeley.

Door een perovskiet -licht absorber te koppelen aan de koperen nanoflower katalysator, kon het team complexere koolwaterstoffen produceren. Om de efficiëntie verder te verbeteren en de energielimieten van het splitsen van water te overwinnen, voegde het team silicium nanodraadelektroden toe die in plaats daarvan glycerol kunnen oxideren. Dit nieuwe platform produceert koolwaterstoffen veel effectiever – 200 keer beter dan eerdere systemen voor het splitsen van water en koolstofdioxide.

De reactie verhoogt niet alleen CO₂ Reductieprestaties, maar produceert ook hoogwaardige chemicaliën zoals glyceraat, lactaat en formaat, die toepassingen hebben in geneesmiddelen, cosmetica en chemische synthese.

“Glycerol wordt meestal beschouwd als afval, maar hier speelt het een cruciale rol bij het verbeteren van de reactiesnelheid,” zei Andrei. “Dit toont aan dat we ons platform kunnen toepassen op een breed scala aan chemische processen die verder gaan dan alleen afvalconversie. Door het oppervlak van de katalysator zorgvuldig te ontwerpen, kunnen we beïnvloeden welke producten we genereren, waardoor het proces selectiever wordt.”

Terwijl huidige CO₂-To-hydrocarbon-selectiviteit blijft ongeveer 10%, de onderzoekers zijn optimistisch over het verbeteren van het katalysatorontwerp om de efficiëntie te verhogen.

Het team stelt zich voor om hun platform toe te passen op nog complexere organische reacties, waardoor deuren worden geopend voor innovatie in duurzame chemische productie. Met voortdurende verbeteringen zou dit onderzoek de overgang naar een circulaire, koolstofneutrale economie kunnen versnellen.

“Dit project is een uitstekend voorbeeld van hoe wereldwijde onderzoekspartnerschappen kunnen leiden tot impactvolle wetenschappelijke vooruitgang”, aldus Andrei. “Door expertise te combineren van Cambridge en Berkeley, hebben we een systeem ontwikkeld dat de manier waarop we brandstoffen en waardevolle chemicaliën duurzaam produceren, kan hervormen.”