Neues Katalysatordesign könnte Kohlenstoff besser ausnutzen
Ein neues, von Forschern der Fakultät für Angewandte Natur- und Ingenieurwissenschaften der Universität Toronto entwickeltes Katalysatordesign könnte die Praxistauglichkeit eines elektrochemischen Prozesses erheblich verbessern, der abgeschiedenes Kohlendioxid in Multikohlenstoffmoleküle umwandelt – einige der wichtigsten Bausteine der chemischen Industrie. „Wir brauchen alternative Wege zu Alltagsprodukten, die nicht auf fossile Brennstoffe angewiesen sind“, sagt David Sinton, Professor für Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen und Hauptautor eines in Nature Energy veröffentlichten einschlägigen Artikels.
CO2 – Montage © Gerhard hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
„Mit den jüngsten Fortschritten bei der Kohlenstoffabscheidung besteht die Möglichkeit, CO2 als Ersatz für wichtige chemische Grundstoffe zu verwenden, auf die die moderne Welt angewiesen ist. Durch die Entwicklung kosteneffizienter Methoden zur Aufwertung dieses Kohlenstoffs in Produkte, die wir bereits benötigen, können wir den wirtschaftlichen Anreiz erhöhen, CO2 abzuscheiden, anstatt es auszustoßen“. Eine Möglichkeit zur Aufwertung von Kohlenstoff besteht in der Elektrochemie – Elektrizität wird verwendet, um eine gewünschte chemische Reaktion voranzutreiben. Die Umwandlung erfolgt in Geräten, die als Elektrolyseure bekannt sind und in denen sich Elektronen mit den Reaktanten an der Oberfläche eines festen Katalysators verbinden.
Das Team verfügt über eine nachweisliche Erfolgsbilanz bei der Entwicklung innovativer Methoden zur Verbesserung der Effizienz der elektrochemischen CO2-Umwandlung. In ihrer jüngsten Veröffentlichung konzentrierten sich die Forscher auf eine Variante des Prozesses, die als „Kaskaden-CO2-Reduktion“ bekannt ist. Bei diesem zweistufigen Verfahren wird das CO2 zunächst in einem flüssigen Elektrolyten gelöst und dann durch einen Elektrolyseur geleitet, wo es mit Elektronen zu Kohlenmonoxid (CO) reagiert.
Das CO wird dann durch einen zweiten Elektrolyseur geleitet, wo es in Zweikohlenstoffprodukte wie Ethanol, das üblicherweise als Kraftstoff verwendet wird, und Ethylen, das ein Vorprodukt für viele Arten von Kunststoffen und andere Konsumgüter ist, umgewandelt wird.
In diesem zweiten Schritt stieß das Team auf Ineffizienzen, die ihrer Meinung nach überwunden werden können. Die Herausforderungen betrafen die Selektivität, d. h. die Fähigkeit, die Produktion der Zielmoleküle zu maximieren, indem die Bildung unerwünschter Nebenprodukte reduziert wird.
„Eines der Hauptprobleme ist die schlechte Selektivität bei geringer Verfügbarkeit von Reagenzien“, sagt der Post-Doc Adnan Ozden, einer der vier Hauptautoren der neuen Arbeit.
„Dies wiederum führt zu einem Zielkonflikt zwischen der Energieeffizienz – d. h. wie effizient wir die Elektronen nutzen, die wir in das System pumpen – und der Kohlenstoffeffizienz, die ein Maß dafür ist, wie effizient wir CO2 und CO nutzen.
„Es gibt Möglichkeiten, eine hohe Energieeffizienz zu erreichen, und es gibt Möglichkeiten, eine hohe Kohlenstoffeffizienz zu erreichen, aber sie werden in der Regel getrennt voneinander angegangen“, sagt der ehemalige Postdoktorand Jun Li, ein weiterer der Hauptautoren, der jetzt außerordentlicher Professor an der Shanghai Jiao Tong University ist.
„Beides in einem einzigen Arbeitsgang zu erreichen, ist der Schlüssel“.
In dieser schematischen Darstellung des Katalysatordesigns stellen die großen Kugeln Kupfernanopartikel dar, die von einem bienenwabenartigen Netz bedeckt sind, das das kovalente organische Gerüst darstellt. Die blauen Kugeln sind positiv geladene Kationen und die durchsichtigen Kugeln sind negativ geladene Anionen. Die farbigen Moleküle auf der Oberfläche stellen den Kohlenmonoxid-Reaktionspartner (CO) und das Reaktionsprodukt, Ethylen, dar (Bild mit freundlicher Genehmigung von Alex Tokarev, Kate Zvorykina vom Ella Maru Studio)
Das Team untersuchte die Gründe für diesen Zielkonflikt und fand heraus, dass er auf eine übermäßige Anhäufung positiv geladener Ionen, so genannter Kationen, auf der Katalysatoroberfläche sowie auf die unerwünschte Abwanderung negativ geladener Ionen, so genannter Anionen, von der Katalysatoroberfläche zurückzuführen ist.
Um diese Herausforderung zu meistern, ließen sie sich von der Konstruktion von Superkondensatoren inspirieren, einem anderen elektrochemischen System, bei dem der Transport von Ionen entscheidend ist. Sie fügten ein poröses Material, ein so genanntes kovalentes organisches Gerüst, auf der Oberfläche des Katalysators hinzu, wodurch sie den Transport von Kationen und Anionen in der lokalen Reaktionsumgebung kontrollieren konnten.
„Mit dieser Modifikation erhielten wir eine hochporöse, stark hydrophobe Katalysatorschicht“, sagt Li. „Bei diesem Design interagiert das kovalente organische Gerüst mit den Kationen, um deren Diffusion zu den aktiven Stellen zu begrenzen. Das kovalente organische Gerüst schränkt aufgrund seiner hohen Hydrophobie auch die lokal erzeugten Anionen ein“.
Unter Verwendung des neuen Katalysatordesigns baute das Team einen Elektrolyseur, der CO mit einem Kohlenstoffwirkungsgrad von 95 Prozent in Zweikohlenstoffprodukte umwandelt und gleichzeitig einen relativ hohen Energiewirkungsgrad von 40 Prozent aufweist.
„Wenn man sich anschaut, was bisher in diesem Bereich erreicht wurde, dann haben sich die verschiedenen Ansätze entweder auf eine sehr hohe Energieeffizienz oder eine sehr hohe Kohlenstoffeffizienz konzentriert“, sagt Ozden. „Unser neues Design zeigt, dass es möglich ist, diesen Zielkonflikt zu überwinden.
Es bleibt noch mehr Arbeit zu tun. Während der Prototyp seine Leistung über 200 Stunden lang beibehielt, muss er noch länger durchhalten, wenn er industriell genutzt werden soll. Dennoch hat die neue Strategie das Potenzial, das Wertangebot für die Aufwertung von abgeschiedenem Kohlenstoff zu verbessern.
„Wenn dieser Prozess kommerziell genutzt werden soll, müssen wir zeigen, dass wir die Umwandlung auf eine Weise durchführen können, die skalierbar und kosteneffizient genug ist, um wirtschaftlich sinnvoll zu sein“, sagt Sinton. „Ich denke, unser Ansatz zeigt, dass dieses Ziel in Reichweite ist.“
->Quelle: utoronto.ca/new-catalyst-design-could-make-better-use-captured-carbon-researchers-say