Onderzoekers van de Faculteit Ingenieurswetenschappen van de Universiteit van Toronto hebben een nieuwe katalysator ontwikkeld die opgevangen koolstof efficiënt omzet in waardevolle producten zoals ethyleen en ethanol, zelfs in de aanwezigheid van verontreinigende zwaveloxides. De doorbraak biedt een economisch haalbare aanpak voor het afvangen en opwaarderen van koolstof, waardoor industrieën zoals de staal- en cementproductie mogelijk worden getransformeerd door hen in staat te stellen koolstofdioxide efficiënter uit afvalstromen om te zetten.
Elektrochemische katalysatoren die koolstofdioxide omzetten in waardevolle producten zouden weerstand kunnen bieden aan de onzuiverheden die de huidige versies vergiftigen. Een nieuwe katalysator verbetert de omzetting van afgevangen koolstof in commerciële producten, waarbij de hoge efficiëntie behouden blijft ondanks de aanwezigheid van zwaveloxide-onzuiverheden. Deze innovatie zou de kosten en de energiebehoefte van koolstofafvangtechnologie aanzienlijk kunnen verlagen, met gevolgen voor de zware industrie.
Een nieuw ontworpen katalysator door onderzoekers van de afdeling Engineering van de Universiteit van Toronto kan opgevangen koolstof efficiënt omzetten in waardevolle producten, zelfs wanneer de prestaties van bestaande katalysatoren afnemen in de aanwezigheid van verontreinigende stoffen.
De ontdekking is een belangrijke stap in de richting van een meer economische technologie voor het afvangen en opslaan van koolstof die kan worden toegevoegd aan bestaande industriële processen.
Professor David Sinton, hoofdauteur van een artikel gepubliceerd in Nature Energy op 4 juli, zei: “Vandaag de dag hebben we meer en betere opties voor koolstofarme energieopwekking dan ooit tevoren. Maar er zijn enkele sectoren van de economie die moeilijker te decarboniseren zullen zijn: de staal- en cementproductie bijvoorbeeld. Om deze industrieën te helpen, moeten we kosteneffectieve manieren bedenken om de koolstof in hun afvalstromen op te vangen en te verbeteren.”
Hinton en zijn team gebruiken apparaten die elektrolysers worden genoemd om kooldioxide en elektriciteit om te zetten in producten zoals ethyleen en ethanol. Deze op koolstof gebaseerde moleculen kunnen worden verkocht als brandstof of worden gebruikt als chemische grondstof voor het maken van alledaagse producten zoals kunststoffen.
In een elektrolysator vindt een conversiereactie plaats wanneer drie elementen - kooldioxidegas, elektronen en een vloeibare elektrolyt op waterbasis - samenkomen op het oppervlak van een vaste katalysator.
Katalysatoren zijn meestal gemaakt van koper, maar kunnen ook andere metalen of organische verbindingen bevatten, waardoor het systeem verder wordt verbeterd. De rol van de katalysator is het versnellen van de reactie en het minimaliseren van de productie van ongewenste bijproducten zoals waterstof, die de efficiëntie van het totale proces verminderen.
Hoewel veel groepen over de hele wereld hoogwaardige katalysatoren hebben geproduceerd, zijn ze bijna allemaal ontworpen voor pure CO2-toevoer. Als de koolstof in kwestie echter uit de stapel komt, is de voeding waarschijnlijk niet zuiver.
"Katalysatorontwerpers houden er over het algemeen niet van om met onzuiverheden om te gaan, en dat is logisch", zegt Panos Papangelakis, een doctoraalstudent in de werktuigbouwkunde en een van de vijf co-eerste auteurs van het nieuwe artikel. "Zwaveloxiden, zoals zwaveldioxide, kunnen zich aan het katalysatoroppervlak binden en dit vergiftigen. "Dit vermindert het aantal plaatsen waar koolstofdioxide kan reageren, en het kan ook chemicaliën vormen die je niet wilt. Dat gebeurt heel snel: sommige katalysatoren kunnen honderden uren meegaan met zuivere voeding, en binnen enkele minuten daalt hun efficiëntie tot 5% als deze onzuiverheden worden geïntroduceerd."
Hoewel er beproefde methoden bestaan om onzuiverheden uit CO2-rijke afvalgassen te verwijderen voordat ze in elektrolysers worden ingevoerd, zijn deze methoden tijdrovend en energie-intensief en verhogen ze de kosten van het afvangen en upgraden van koolstof. Ook als het om zwaveldioxide gaat, kan zelfs een klein beetje een groot probleem veroorzaken.
"Zelfs als je de afgasconcentratie terugbrengt tot minder dan 10 delen per miljoen, of 0,001% van de voeding, zal de katalysator binnen twee uur nog steeds vergiftigd zijn", zei Papangelakis.
In het artikel beschrijft het team hoe ze een veerkrachtigere katalysator hebben ontworpen die bestand is tegen zwaveldioxide door twee belangrijke wijzigingen aan te brengen in typische op koper gebaseerde katalysatoren.
Aan één kant van de katalysator voegden ze een dunne laag polytetrafluorethyleen (ook bekend als teflon) toe. Dit antikleefmateriaal verandert de chemische eigenschappen van het katalysatoroppervlak en verhindert het optreden van zwaveldioxidevergiftiging.
Aan de andere kant voegden ze een laag Nafion toe, een geleidend polymeer dat vaak in brandstofcellen wordt gebruikt. Dit complexe poreuze materiaal bevat enkele hydrofiele gebieden die water absorberen, en andere hydrofobe gebieden die water afstoten. Deze structuur maakt het moeilijk voor zwaveldioxide om het katalysatoroppervlak te bereiken.
Het team voegde vervolgens aan de katalysator een mengsel van koolstofdioxide en zwaveldioxide toe, dat een concentratie heeft van ongeveer 400 delen per miljoen en typisch is voor industriële afvalstromen. Zelfs onder zulke zware omstandigheden presteerde de nieuwe katalysator uitzonderlijk goed.
"In het artikel rapporteerden we een Faradaic-efficiëntie (een maatstaf voor het aantal elektronen dat in het gewenste product terechtkomt) van 50%, en we konden die efficiëntie 150 uur volhouden", zei Papangelakis. "Sommige katalysatoren beginnen misschien met een hogere efficiëntie, misschien 75% of 80%. Maar nogmaals, als je ze blootstelt aan zwaveldioxide, daalt de efficiëntie binnen enkele minuten of hoogstens uren naar bijna nul. Daar hebben we tegen kunnen vechten."
Omdat de methode van zijn team geen invloed heeft op de samenstelling van de katalysator zelf, kan deze op grote schaal worden toegepast. Met andere woorden: teams die hoogwaardige katalysatoren hebben geperfectioneerd, zouden soortgelijke coatings moeten kunnen gebruiken om vergiftiging door zwaveloxiden te weerstaan. Hoewel zwaveloxiden de meest uitdagende onzuiverheden zijn in typische afvalstromen, zijn het niet de enige onzuiverheden. De volgende stappen die het team zal onderzoeken zijn de volledige reeks chemische verontreinigingen.
"Er zijn veel andere onzuiverheden waarmee rekening moet worden gehouden, zoals stikstofoxiden, zuurstof, enz. Maar het feit dat deze methode zo goed werkt met zwaveloxiden is veelbelovend. Vóór dit werk werd aangenomen dat onzuiverheden moesten worden verwijderd voordat CO2 werd opgewaardeerd. Wat we hebben laten zien is dat er misschien een andere manier is om ermee om te gaan, en dat opent veel nieuwe mogelijkheden", aldus Papangelakis.
Samengesteld uit /ScitechDaily