Fotoadsorption av CO2 på metalloxider: Syntetisk väg för direkt infångning av CO2 från luft

Tidsperiod:

1 januari 2020 – 31 december 2023

Projektledare:

Lars Österlund

Projektdeltagare:

Jolla Kullgren

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

3 400 000 SEK

Ljus från solen omvandlas ständigt till kemisk energi och kemiska föreningar på jorden. Solljus-driven energi är ett nyckelbegrepp för omställning till ett hållbart samhälle.  Material som påskyndar fotokemiska processer är t.ex. fotokatalysatorer som påskyndar en kemisk reaktion med hjälp av tillförd energi från absorberat ljus, men innefattar även material som påskyndar irreversibla fotokemiska processer, t.ex. geokemiska reaktioner som avvittring av metalljoner från mineraler, korrosionsprocesser, etc. I den tekniska utvecklingen att ersätta fossilt bränsle med förnybart bränsle används fotokatalysatorer för att spjälka vatten till vätgas och syrgas, syntetisera kolväten och alkoholer från CO2 och vatten, eller oxidera ett kolväte till vatten och koldioxid. Fotoinducerade processer på katalysatorer och andra ljusabsorbande material förutspås ha ett stort användningsområde inom förnybar energi- och miljöteknik. Principen för fotokatalytisk spjälkning av vatten till vätgas och syrgas påvisades redan i början på 1970-talet, och fotokatalytisk reduktion av koldioxid till alkoholer som råmaterial i syntetiskt bränsle påvisades på 1990-talet. Sedan 1930-talet är det känt att titandioxid (TiO2) påskyndar oxidation av organiska substanser då det belyses med ultraviolett ljus. Idag finns det kommersiella produkter inom en rad områden som använder fotokatalytiska principer. I den byggda miljön produceras idag t.ex. fotokatalytiska (s.k. självrengörande) fönster med TiO2 beläggning i stora kvantiteter och finns idag hos alla fönster-återförsäljare över hela världen. En självrengörande effekt kan erhållas på grund av de ”superhydrofila” (vattenälskande) vätningsegenskaper som TiO2 får då det belyses med ultraviolett ljus.Det här projektet handlar om hur koldioxid (CO2) kan fångas in (”adsorberas”) på TiO2 ytor med hjälp av ultraviolett ljus. Projektet är grundvetenskapligt i sin karaktär men är sprunget ur behovet att förstå mekanismer för att utnyttja CO2 i kemiska processer och ersätta fossila bränslen och kemikalier med hållbara alternativ. Projektet bygger på en upptäckt från Österlunds forskargrupp att molekyler som CO2, SO2 och NO2 kan bindas in till TiO2 då det belyses med ultraviolett ljus under vissa betingelser. Här avser vi att studera grundläggande mekanismer för fotoadsorption av CO2 på TiO2 ytor. Denna upptäckt kan även ha betydelse för att förstå naturliga geokemiska processer, men även leda till nya insikter hur man artificiellt kan fånga in lagra CO2 från atmosfären. Mänskliga aktiviteter hotar att irreversibelt förändra klimatet på jorden, särskilt genom en ökning av medeltemperaturen på grund av ackumulering av så kallade växthusgaser i atmosfären - särskilt CO2 - som blockerar och reflekterar infraröd (IR) ljus tillbaka till jordens yta. Nyare studier visar att det inte bara är nödvändigt att drastiskt minska utsläppen av växthusgaser till noll år 2050, men också att ta bort dem från atmosfären med hjälp av så kallade negativa utsläppsteknologier för att kunna uppnå målet med högst 1,5 grader temperatur ökning. Även om det är hög risk att förlita sig på ny, icke-befintlig teknik, är det ändå viktigt att granska både naturliga och konstgjorda processer för att fånga CO2; inte minst för att bidra att till fakta i den offentliga debatten.I projektet avser vi att studera CO2 fotoadsorption på välkaraktäriserade modellsystem bestående av makroskopiskt stora enkristaller och ultrarena tunna filmer och nanopartiklar. Studierna ska göras i båda ultra-högvakuum och atmosfäriskt tryck för att bestämma hur CO2 adsorberar, identifiera reaktionsprodukter och deras bindningsstyrka till ytan. Speciellt kommer avancerad IR spektroskopi att användas för att studera reaktioner in situ. Genom att kombinera IR spektroskopi med analys av desorptionsprodukter och teoretiska beräkningar, samt genom att variera ytstruktur och även material (nickeloxid istället för TiO2) kan vi få en djupare förståelse av de experimentella resultaten. Efter