Koldioxid är en färglös gas som utgör en viktig byggsten i fotosyntesen och därmed grunden för det biologiska livet på jorden som vi känner till det. Men koldioxid är också en växthusgas där ökande halter i atmosfären bidrar till jordens uppvärmning och ett förändrat klimat.

För att minska mängden koldioxid i atmosfären planerar olika länder infångning och lagring av koldioxid. Men det ideala är inte bara att lagra insamlad koldioxid, säger Jiayin Yuan, professor i materialkemi vid Stockholms universitet.

– Det är i stället bättre att hitta bra sätt att genast förbruka och nyttja den, som träden i skogen gör när de växer.

Efter att tidigare ha undersökt möjligheten att använda koldioxid som råvara för miljövänliga bränslen, studerar han och hans forskargrupp nu om det går att omvandla koldioxid till en monomer som kan användas som en utgångsmolekyl i tillverkning av plast.

Varje år tillverkas över 380 miljoner ton plast gjord av fossil råolja i världen och förädlingen av oljeprodukter som ska ingå i plaster – liksom inte minst förbränning av plastavfall – bidrar i dag via koldioxidutsläpp till negativa klimateffekter som torka, extrema oväder och värmeböljor.

Tar fram fossilfri plast

En av världens vanligaste råoljebaserade ingrediens i plast är etylen. Etylenplast framställs från fossila källor industriellt och bildar då långa kedjor av kolatomer, så kallade polymerer och benämns polyetylen som färdig produkt, säger Yuan.

– Vi vill nu hitta ett sätt att göra fossilfri etylenplast för att minska klimateffekterna.

Jiayin Yuan är född och uppvuxen i miljonstaden Shanghai i Kina, som han sedan lämnade för att studera och forska på ansedda institut och universitet i såväl Tyskland som i USA. Där har han bland annat forskat på nya porösa kolmembran och aktivt kol.

Men 2018 nappade han på ett erbjudande om att komma och arbeta som forskare vid Institutionen för material- och miljökemi vid Stockholms universitet, där han ett år senare blev professor. I dag är han även direktör för ”Stockholm Material Hub”, ett nätverk som förenar materialforskare vid svenska universitet och inom industrin.

Som Wallenberg Academy Fellow driver Yuan och hans forskargrupp ett projekt som kallas CatchCO2 och som just går ut på att utveckla en metod för att omvandla koldioxid till etylen.

– Lyckas vi med vår metod så kan den leda till en väsentlig minskning av användningen av fossila råvaror i kemiindustrin och till ett minskat beroende av oljebaserade råvaror i världen.

Utöver det arbetar forskarna också med två andra, parallella närliggande stora forskningsprojekt som studerar avskiljning och infångning av koldioxid eller ”Carbon Capture”.

Vill minska klimateffekterna

Som forskare är Jiayin Yuan angelägen om att projektet ska uppnå flera klimatvinster samtidigt.

– Tanken är att vi ska använda koldioxid och framställa fossilfri etylen, en molekyl som är en prekursor till polyetylen. Det minskar dels mängden atmosfärisk koldioxid dels koldioxidavtrycket som skapas av produktionen av fossil plast. Men i vår konverteringsprocess ska vi också använda oss av förnybar elektrisk energi och vi hoppas även hitta ett bra sätt att återvinna polymererna.

Men det ideala är inte bara att lagra insamlad koldioxid. Det är i stället bättre att hitta bra sätt att genast förbruka och nyttja den, som träden i skogen gör när de växer.

Kärnan i Catch CO₂-projektet är att forskarna designat en ny generation av metall/kol-membran som de nu gör försök med i liten skala för att omvandla koldioxid till etylengas.

I experimenten placeras membranet i en genomskinlig flödescellsreaktor, som innehåller vatten och är kopplad till elektrisk ström, via en anod och en katod. Via en slang pumpas sedan koldioxidgasen in i flödescellen, varpå etylengas strömmar ut på den andra sidan.

Det som sker i flödescellen är en kontinuerlig elektrolytisk-kemisk process, där kolatomerna i koldioxiden reduceras och vatten sönderdelas till vätgas.

Processen är nu under vidareutveckling. Bland annat testar forskarna vilka metaller som bäst kan fungera som katalysator för reaktionen. Hit hör exempelvis koppar eller legeringar, blandningar av olika metaller. Här är det avgörande att metallatomerna är dimensionellt begränsade, mindre än två nanometer tvärsöver, och är positionerade på ytan av en elektrod. Dessa specialdesignade molekylära strukturer gör att forskarna kan finjustera processen och se till att etylen – och inte andra kolföreningar – bildas.

Behöver kunna skala upp

Ytterligare ett mål för Jiayin Yuans grupp är att designa och testa Catch CO₂-modellen så att den kan användas i industriell skala i framtiden. Ett sätt att åstadkomma detta kan vara att placera hundratals eller tusentals flödesceller tillsammans för att på så sätt kunna producera stora mängder fossilfri etylengas.

Samtidigt saknas det inte utmaningar i fråga om att skala upp modellen. Bland annat måste de elektriska förutsättningarna i flödescellerna vara möjliga att harmonisera med el-tekniska produktionsvillkor inom industrin.

Men Jiayin Yuan trivs med arbetet att finna lösningar på svåra problem.

– Jag lever min dröm, att få forska och undervisa i naturvetenskap är något jag velat göra sedan barnsben.

Text Monica Kleja
Bild Magnus Bergström