Von Forschern der Universität Toronto entwickelt
Brennstoffzellen wandeln Chemikalien in Elektrizität um. Jetzt hat ein Team der Fakultät für angewandte Wissenschaften und Ingenieurwesen der Universität Toronto die Technologie von Brennstoffzellen so angepasst, dass sie das Gegenteil tut: Sie macht Elektrizität nutzbar, um aus Kohlendioxidabfällen wertvolle Chemikalien herzustellen. Die Forschung wurde vor kurzem in Science veröffentlicht (Medienmitteilung).
In dem verbesserten Elektrolyseur läuft die Reaktion in einer dünnen Schicht ab, die einen Katalysator auf Kupferbasis mit Nafion, einem ionenleitenden Polymer, kombiniert. Die einzigartige Anordnung dieser Materialien ermöglicht eine 10mal höhere Reaktionsgeschwindigkeit als bei früheren Designs – Foto © Daria Perevezentsev.
„Jahrzehntelang haben talentierte Forscher Systeme entwickelt, die Elektrizität in Wasserstoff und wieder zurück umwandeln“, sagt Universitätsprofessor Ted Sargent von der Edward S. Rogers Sr. Abteilung für Elektro- und Computertechnik, einer der Hauptautoren der Arbeit. „Unsere Innovation baut auf diesem Erbe auf, aber durch die Verwendung von Molekülen auf Kohlenstoffbasis können wir uns direkt in die bestehende Kohlenwasserstoff-Infrastruktur einklinken“.
In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle kommen Wasserstoff und Sauerstoff auf der Oberfläche eines Katalysators zusammen. Bei der chemischen Reaktion werden Elektronen freigesetzt, die von speziellen Materialien innerhalb der Brennstoffzelle eingefangen und in einen Kreislauf gepumpt werden. Das Gegenteil einer Brennstoffzelle ist ein Elektrolyseur, der mit Hilfe von Elektrizität eine chemische Reaktion auslöst. Die Autoren des Artikels sind Experten in der Entwicklung von Elektrolyseuren, die CO2 in andere kohlenstoffbasierte Moleküle, wie z.B. Ethylen, umwandeln.
Zum Team gehören der Doktorand Adnan Ozden (li.), der von Professor David Sinton in der Abteilung für Maschinenbau und Industrietechnik betreut wird, sowie mehrere Mitglieder des Sargent-Teams, darunter der Doktorand Joshua Wicks (re.), der Post-Doc-Forscher F. Pelayo García de Arquer (Mi.) und der ehemalige Post-Doc-Forscher Cao-Thang Dinh (Foto li.) (Foto © Daria Perevezentsev).
„Ethylen ist eine der am häufigsten produzierten Chemikalien der Welt“, sagt Wicks. „Es wird für die Herstellung von Frostschutzmitteln bis hin zu Rasenmöbeln verwendet. Heute wird es aus fossilen Brennstoffen gewonnen, aber wenn wir es stattdessen durch die Aufwertung von CO2-Abfall herstellen könnten, würde es einen neuen wirtschaftlichen Anreiz für die Abscheidung von Kohlenstoff bieten. Die heutigen Elektrolyseure produzieren Ethylen noch nicht in einem Umfang, der groß genug ist, um mit dem aus fossilen Brennstoffen gewonnenen Ethylen zu konkurrieren. Ein Teil der Herausforderung liegt in der einzigartigen Natur der chemischen Reaktion, die CO2 in Ethylen und andere Moleküle auf Kohlenstoffbasis umwandelt.“
„Die Reaktion erfordert drei Dinge: CO2, das ein Gas ist; Wasserstoffionen, die aus flüssigem Wasser stammen; und Elektronen, die durch einen Metallkatalysator übertragen werden“, sagt Ozden. „Diese drei verschiedenen Phasen – insbesondere das CO2 – schnell zusammenzubringen, ist eine Herausforderung, und das hat die Geschwindigkeit der Reaktion begrenzt.“
Bei ihrem neuesten Elektrolyseur-Entwurf verwendete das Team eine einzigartige Anordnung von Materialien, um die Herausforderungen bei der Zusammenführung der Reaktanden zu bewältigen. Die Elektronen werden von einem Katalysator auf Kupferbasis geliefert, den das Team zuvor entwickelt hatte. Doch anstelle eines flachen Blechs aus Metall besteht der Katalysator im neuen Elektrolyseur aus kleinen Partikeln, die in eine Schicht aus einem Material namens Nafion eingebettet sind.
Nafion ist ein Ionomer – ein Polymer, das geladene Teilchen, so genannte Ionen, leiten kann. Heute wird es üblicherweise in Brennstoffzellen verwendet, wo es die Aufgabe hat, positiv geladene Wasserstoffionen (H+) innerhalb des Reaktors zu transportieren.
„In unseren Experimenten haben wir entdeckt, dass eine bestimmte Anordnung von Nafion den Transport von Gasen wie CO2 erleichtern kann“, sagt García de Arquer. „Unser Design ermöglicht es den Gasreaktanten, die Katalysatoroberfläche schnell genug und ausreichend verteilt zu erreichen, um die Reaktionsgeschwindigkeit deutlich zu erhöhen. Da die Reaktion nicht mehr durch die Schnelligkeit der drei Reaktionspartner begrenzt ist, konnte das Team CO2 zehnmal schneller in Ethylen und andere Produkte umwandeln als zuvor. Dies gelang ihnen, ohne die Gesamteffizienz des Reaktors zu verringern, was mehr Produkt für ungefähr die gleichen Kapitalkosten bedeutet.
(Noch) weit entfernt von kommerzieller Rentabilität
Trotz des Fortschritts ist das Gerät noch weit von der kommerziellen Rentabilität entfernt. Eine der größten verbleibenden Herausforderungen ist die Stabilität des Katalysators unter den neuen höheren Stromdichten. „Wir können die Elektronen zehnmal schneller einpumpen, was großartig ist, aber wir können das System nur etwa 10 Stunden lang betreiben, bevor die Katalysatorschicht zusammenbricht“, sagt Dinh. „Das ist noch weit entfernt von dem Ziel von Tausenden von Stunden, die für die industrielle Anwendung benötigt würden.
Dinh, jetzt Professor für Chemieingenieurwesen an der Queen’s University (Kingston, Ontario), setzt die Arbeit fort, indem er neue Strategien zur Stabilisierung der Katalysatorschicht untersucht, wie etwa die weitere Modifizierung der chemischen Struktur oder das Hinzufügen zusätzlicher Schutzschichten zum Nafion.
Auch auf Methanol anwendbar
Die anderen Teammitglieder planen, an verschiedenen Herausforderungen zu arbeiten, z.B. an der Optimierung des Katalysators, um neben Ethylen auch andere kommerziell wertvolle Produkte herzustellen. „Wir haben Ethylen als Beispiel gewählt, aber die Prinzipien hier können auf die Synthese anderer wertvoller Chemikalien, einschließlich Ethanol, angewendet werden“, sagt Wicks. „Zusätzlich zu seinen vielen industriellen Verwendungen wird Ethanol auch als Kraftstoff verwendet.
Die Fähigkeit, Brennstoffe, Baumaterialien und andere Produkte kohlenstoffneutral zu produzieren, ist ein wichtiger Schritt zur Verringerung unserer Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen. „Selbst wenn wir aufhören, Öl als Energieträger zu verwenden, werden wir all diese Moleküle brauchen“, sagt García de Arquer. „Wenn wir sie mit CO2-Abfall und erneuerbarer Energie herstellen können, können wir einen großen Einfluss auf die Dekarbonisierung unserer Wirtschaft haben“.
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