Ameisensäure aus Kohlendioxid und Wasser

Chinesische Forscher entwickeln neuen Katalysator zur Umwandlung von CO₂

Die Umwandlung von CO₂-Emissionen mit Hilfe von erneuerbarem Strom zur Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien ist ein eleganter Weg zu einem kohlenstoffneutralen Energiekreislauf. Chinesische Forscher haben durch die Entwicklung eines monatomaren Kupferkatalysators einen Weg gefunden, aus Kohlendioxid und Wasser kostengünstig Ameisensäure herzustellen. Das Verfahren verwendet einen Elektrolyseur, der eine kontinuierliche Produktion ohne Produkttrennung ermöglicht, und wurde in Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Fortschritte im Verständnis und in der Synthese von Cu-Katalysatoren haben die explosionsartige Entwicklung der elektrochemischen CO₂-Reduktionstechnologie (CO₂RR) zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen und sauerstoffhaltigen Stoffen vorangetrieben. Cu als vorherrschender Katalysator weist jedoch häufig eine begrenzte Selektivität und Aktivität für ein bestimmtes Produkt auf, was zu einer geringen Produktivität und einer umfangreichen Reinigung nach der Reaktion führt.

Die Forscher von der University of Science and Technology of China, der University of Electronic Science and Technology of China und dem Dalian Institute of Chemical Physics, das der Chinesischen Akademie der Wissenschaften angegliedert ist, entwickelten einen neuartigen einatomigen Kupferkatalysator mit hoher Aktivität und geringen Kosten, der ausschließlich Kohlendioxid und Wasser in Ameisensäure umwandelt.

Mit Hilfe des neuen Katalysators haben die Forscher einen Elektrolyseur entwickelt, der direkt und kontinuierlich reine Ameisensäurelösungen ohne Produkttrennung produziert. Dadurch werden die Kosten der Kohlendioxid-Elektrolyse massiv gesenkt.

Die Forscher stellen einen einatomigen Pb-legierten Cu-Katalysator (Pb₁Cu) vor, der ausschließlich (~96% Faradaic-Effizienz) CO₂ in Formiat umwandeln kann, und zwar mit einer hohen Aktivität von über 1 A/cm². Der Pb₁Cu-Elektrokatalysator wandelt CO₂ an den modulierten Cu-Stellen in Formiat um und nicht an dem isolierten Pb. In-situ-spektroskopische Nachweise und theoretische Berechnungen ergaben, dass die aktivierten Cu-Stellen des Pb1Cu-Katalysators den ersten Protonierungsschritt der CO₂RR regulieren und die CO₂RR auf einen HCOO*-Weg statt auf einen COOH*-Weg lenken, wodurch die Möglichkeit anderer Produkte vereitelt wird. Außerdem zeigen wir die kontinuierliche Herstellung einer reinen Ameisensäurelösung bei 100 mA/cm² über 180 Stunden mit einem Festelektrolytreaktor und Pb₁Cu.

Die Nutzung nachhaltiger Energiequellen zur Umwandlung von Kohlendioxid in hochwertige Chemikalien ist eine neue Technologie, um dieses Treibhausgas zu nutzen und die Kohlendioxidemissionen zu verringern. Bei der derzeitigen Methode entsteht jedoch Ameisensäure mit Nebenprodukten wie Kohlenmonoxid, Ethylen und Ethanol, die alle in der elektrolytischen Lösung enthalten sind und deren Gewinnung und Reinigung enorme Kosten verursacht. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

->Quellen:

• german.news.cn/c_1310385025
• bignewsnetwork.com/chinese-researchers-develop-new-catalyst-to-convert-co2
• Tingting Zheng, Chunxiao Liu, Chenxi Guo, Menglu Zhang, Xu Li, Qiu Jiang, Weiqing Xue, Hongliang Li, Aowen Li, Chih-Wen Pao, Jianping Xiao, Chuan Xia & Jie Zeng: Copper-catalysed exclusive CO₂ to pure formic acid conversion via single-atom alloying, in: Nature Nanotechnology – nature.com/articles/s41565-021-00974-5