Tema

Koldioxid omvandlas tillbaka till bränslen

Omvandling av koldioxid till bränslen med elektrokemi är en spännande teknik. Sergey Koroidov utvecklar den grundläggande förståelsen för dessa reaktioner genom att studera omvandlingen på atomär och molekylär nivå.

Förnybara energikällor, som sol- och vindkraft, är ”sårbara” genom att inte producera el när det inte blåser eller solen inte skiner. Den energi som genereras måste lagras för att vara tillgänglig när den behövs. Ett mycket effektivt sätt att lagra energi är i form av kemiska bindningar. Att omvandla koldioxid tillbaka till bränslen via elektrokemi är ett mycket attraktivt alternativ. Förutom att lagra energi minskar då också mängden koldioxid som släpps ut i atmosfären.

– Jag började min karriär som forskare 2010 med mitt doktorandprojektarbete vid Umeå universitet, som huvudsakligen ägnades åt att studera katalytiska vattenoxidationsreaktioner. Som en del av mitt doktorandarbete började jag också skaffa mig praktisk erfarenhet av optisk spektroskopi och röntgenspektroskopi vid Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Jag fascinerades av spektroskopiska möjligheter att studera katalytiska reaktioner, vilket fick mig att fortsätta min forskning i samma riktning, säger Sergey Koroidov vid Stockholms universitet.

Arbetade vid röntgenfrielektronlaser i Stanford

Efter examen blev han postdoktor vid Stanford University och SLAC National Accelerator Laboratory, där världens första hårda röntgenfrielektronlaser (LSLC) finns. Möjligheten att arbeta vid denna anläggning lockade honom.

–  År 2017 återvände jag till Sverige och Fysikum vid Stockholms universitet som forskarassistent. Sedan 2020 har jag börjat utveckla mina egna inriktningar inom forskningen.

Den forskningen syftar till att producera kunskap som leder till en hållbar reduktionsreaktion för koldioxid för att erhålla högre kolväten och alkoholer: Dessa kan bli en oslagbar energiresurs avseende energitäthet, lagring och distribution.

Utvecklar material som omvandlar koldioxid till förnybara bränslen

För en effektiv process måste vi ändå utveckla material som katalytiskt kan omvandla koldioxid effektivt till de önskade produkterna.

– I mina studier utvecklar jag den nödvändiga förståelsen för dessa reaktioner genom att följa tidsupplöst omvandling på atom- och molekylnivå. Vi gör detta med hjälp av röntgenstrålar från synkrotronljuskällor och ultrakorta pulser från nya röntgenlasrar. Målet är att förstå processer för att omvandla koldioxid till förnybara bränslen så effektivt som möjligt, säger Sergey Koroidov, som är medlem i forskargruppen  X-ray Science of Liquids and Surfaces (XSoLaS) vid Fysikum.

Behovet av energi från fossilfria bränslen ökar

I dag kommer 80 procent av all energi från fossila bränslen, och samhällets behov av energi förväntas öka. Vi står inför stora utmaningar både på grund av den begränsade tillgången på fossila bränslen och klimatförändringarna som orsakas av den ökande koldioxidhalten i atmosfären och haven. För att skapa ett ekonomiskt, socialt och miljömässigt hållbart samhälle måste vi förbättra tekniken för energiomvandling baserad på förnybara källor.

Anta att vi kan lagra sol- och vindenergi i form av flytande bränslen. I så fall kan vi dra nytta av deras höga energitäthet, som finns lagrad i energitransportsystem, och överbrygga perioder då sol och vind ger små bidrag.
En av de viktigaste vetenskapliga utmaningarna i dag är att från koldioxid utveckla förnybara energikällor i form av flytande kolväten och alkoholer i en kostnadseffektiv industriell skala.

Koppar som katalysator för att göra kolväten av koldioxid

Nästan alla kemiska processer som är involverade i energiomvandling bygger på katalys. Den vetenskapliga utmaningen när det gäller att omvandla koldioxid till bränslen är bristen på effektiva katalysatorer för storskalig omvandling av dessa gaser när de fångas upp från kolintensiva källor eller från atmosfären. Koppar är för närvarande den enda kända metallen som kan omvandla koldioxid till kolväten, men hur processen fungerar är inte helt känt. Det finns ett behov av att förstå och kontrollera katalysatorn i detalj, från hur elektronerna omfördelas till hur atomerna rör sig under reaktionen och hur olika katalysatorer kan påverka dem.

Utvecklingen av synkrotron- och röntgenanläggningar för fria elektroner har skapat nya möjligheter. De ultrakorta pulserna fungerar som en höghastighetskamera på elektron- och atomnivå. Pulserna gör det möjligt att följa rörelser på den tidsskala de rör sig på och därmed ”se” hur kemiska bindningar bildas och bryts. Genom att använda olika energier i röntgenstrålarna kan forskarna välja vilka atomer de följer. Experimenten utförs med hjälp av instrument som konstrueras och byggs på Fysikum.

Undersöker den kemiska omvandlingen i olika material

Dessa kamrar och slutstationer används för att undersöka övergående processer och intermediärer (”tillfälliga” ämnen) som bildas på ytan och hur de utvecklas vidare under katalytiska reaktioner. Vid varje given tidpunkt i processen är mängden intermediärer försvinnande liten, men genom att starta reaktionen synkront kan vi öka andelen och karaktärisera dessa avgörande intermediärer. De är viktiga när vi talar om vilken väg reaktionen tar på olika material.

Målet med studien är att utveckla en grundläggande förståelse för alla reaktionssteg, vilka intermediärer som är inblandade och hur de binder till katalysatorn, bestämma reaktionsbarriärer och energiöverföring mellan elektroden och adsorberade molekyler genom att analysera relevanta modellsystem.

I första hand fokuserar forskarna på olika formuleringar av koppar som elektrod. Några av dessa kan av för närvarande okända skäl ge en hög selektivitet för den önskade produkten eten framför den oönskade växthusgasen metan. Vad som avgör detta och hur det kan optimeras är en avgörande utmaning att lösa. Med de metoder som forskarna nu har tillgång till är detta inom räckhåll.

Omvandling av koldioxid till bränslen via elektrokemi

Omvandling av koldioxid till bränslen via elektrokemi. Bild Stockholms universitet

Fossilfri energi kan minska klimatpåverkan
Projektet har således potential att mildra mänsklig påverkan på klimatförändringen och säkra tillgången på energi i en fossilfri framtid. Vårt välbefinnande har varit starkt kopplat till tillgång på energi och miljö. Genom att återvinna koldioxid till värdefulla industrikemikalier och bränslen (figur 1) i stället för att öka kolet i kolcykeln genom att utnyttja fossila källor angriper man direkt källan till den så kallade antropogena klimatförändringen.

– Genombrottet kommer att minska Sveriges beroende av bränslen och kemikalier från utlandet och leda till inhemsk produktion. Forskningen har således potential att mildra vår påverkan på klimatförändringarna och säkra tillgången på fossilfri energi i framtiden, säger Sergey Koroidov.

Läs mer om X-ray Science of Liquids and Surfaces (XSoLaS)

Artikeln är tidigare publicerad på Stockholms universitets webbplats

Kontakt:

Sergey Koroidov, sergey.koroidov@fysik.su.se

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Koldioxid omvandlas tillbaka till bränslen

 lästid ~ 5 min