Tänk om en maskin kunde suga upp koldioxid från atmosfären, låta den genomgå en serie kemiska reaktioner och i princip spotta ut industriellt användbar plast?
”Jag tror att det är något som vi som samhälle skulle vara intresserade av. Förutom att vara en växthusgas är koldioxid ju en riklig och billig råvara”, säger Theo Agapie, Ph.D., John Stauffer-professor i kemi och chef för kemi vid Caltech. ”Med vårt nya arbete har vi tagit ett viktigt steg i den riktningen.”
I en artikel i tidskriften Angewandte Chemie International Edition rapporterar Agapie och ett team av kemister från Caltech att de har utvecklat ett system som använder el från hållbara källor för att omvandla koldioxid (CO2) till molekyler, såsom etylen och kolmonoxid, som är användbara för att tillverka mer komplexa föreningar.
När detta åstadkoms med hjälp av ljus som energikälla, utan växter, kallas processen artificiell fotosyntes. Det nya systemet matar in den etylen och koloxid som har genererats i en andra katalytisk slinga som ger industriellt användbara plaster kallade polyketoner, som är kända för sin styrka, hållbarhet och termiska stabilitet, vilket gör dem idealiska för tillämpningar som sträcker sig från lim till bildelar och från sportutrustning till industriella rörledningar.
”Vi har visat att man kan använda CO2 för att tillverka ett användbart material utan att använda växter som mellanprodukt”, säger huvudförfattaren Max Zhelyabovskiy, doktorand i Agapies laboratorium, som var medhandledare för projektet tillsammans med Jonas C. Peters, Bren-professor i kemi vid Caltech och direktör för Resnick Sustainability Institute.
Det Caltech-ledda teamet är inte det första som har byggt ett system som försöker kombinera CO2-reduktion med en andra kemisk reaktion för att slutligen producera polymerer. Men tidigare system har tillsatt etylen som kommer från petroleumprodukter, istället för att utvinna det från koldioxid och vatten.
Omvandlingen av CO2 till plast har varit en utmaning av flera skäl. Ett av dessa är att tidigare elektrokemiska CO2-reduktionssystem har gett mycket lite etylen och koloxid, de reagenser som behövs för att mata in i det andra steget av omvandlingen till polyketoner. Faktum är att de flesta har producerat mindre än 5 % koncentrationer av dessa önskade föreningar, tillsammans med andra oönskade kemikalier som potentiellt kan skada efterföljande processer.
”Det har varit svårt, åtminstone i laboratorieskala, att få fram högkoncentrerade, högrena strömmar av reagenser som sedan kan omvandlas till något som plast eller bränsle”, säger Zhelyabovskiy. Men det system han har varit med om att utveckla uppnår betydligt högre koncentrationer – 11 % etylen och 14 % koloxid.
Men det är inte den enda utmaningen. Att koppla ihop de två systemen – ett för CO2-reduktionen och ett för den efterföljande katalyssteget – är inte trivialt, säger Zhelyabovskiy: ”Det mesta av arbetet i litteraturen fokuserar på antingen det första eller det andra steget, separat och med rena råvaror. Inte båda.”
Ett tvåstegssystem
Medveten om de mycket olika miljöer som krävs för att CO2-reduktionen och det sekundära katalytiska steget ska fungera med hög effektivitet, utvecklade Caltech-teamet ett system med två separata slingor för de olika reaktionerna.
I den första slingan börjar systemet med gasdiffusionselektrodceller, hydrofoba polymerer belagda med ett tunt lager koppar. Forskarna pumpar CO2 in i en gascylinder som är ansluten till cellerna och låter en kaliumbikarbonatelektrolyt strömma genom cellerna, samtidigt som de applicerar en spänning på elektroderna. Genom att slinga gaserna genom denna elektrokemiska anordning flera gånger kan de generera relativt höga koncentrationer av etylen och koloxid.
Efter att ha byggt upp dessa gaser i ungefär en timme matar forskarna sedan in etylen och koloxid i det andra steget: en sluten reaktor där gaserna bubblar genom en lösning av en palladiumkatalysator. Precis som en bubbler i ett akvarium berikar denna process lösningen med etylen och koloxid. Och katalysatorn, som kallas en sampolymerisationskatalysator, driver den effektiva bildningen av en polymer – i detta fall en polyketon – från de två monomererna.
En katalysator som gör sitt jobb under arbetsförhållanden
Vanligtvis testas katalysatorer under perfekta förhållanden som inte nödvändigtvis representerar de miljöer de utsätts för under elektrokemisk CO2-reduktion. Till exempel är vattenånga mycket skadligt för många polymerisationskatalysatorer, men vatten är en nödvändig del av CO2-reduktionen, och därför är det oundvikligt att vattenånga tillförs.
I det nya arbetet har Agapie, Peters och deras kollegor visat att palladiumkatalysatorn kan användas även i närvaro av föroreningar som tillförs under CO2-reduktionen – inte bara vattenånga utan även väte, oreagerad CO2, alkoholdimma och andra kemiska mellanprodukter.
Zhelyabovskiy säger att det nya systemet och den nya tekniken behöver förfinas ytterligare. Det producerar till exempel ännu inte polyketoner med samma molekylvikter som de som tillverkas på vanligt sätt. Men, säger han, ”genom att visa att det är möjligt kan vi öka intresset för detta område, och kanske kan man bygga vidare på denna princip”.
Agapie påpekar att för att denna process ska leda till en hållbar och praktisk teknik måste elen komma från förnybara och koldioxidneutrala källor, och den måste vara tillräckligt billig för att kunna konkurrera med petroleumkällor.
Ytterligare författare till artikeln ”Plastic from CO2, Water, and Electricity: Tandem Electrochemical CO2 Reduction and Thermochemical Ethylene-CO Copolymerization” är Hyuk-Joon Jung och Paula L. Diaconescu från UCLA.
Mer information: Maxim Zhelyabovskiy et al, Plastic from CO2, Water, and Electricity: Tandem Electrochemical CO2 Reduction and Thermochemical Ethylene‐CO Copolymerization, Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202503003
