„Bahnbrechende Entdeckung“: Umwandlung von Kohlendioxid für Ethylenproduktion

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Neue Methode wandelt CO2 in Chemikalien um

Während Forscher seit mehr als einem Jahrzehnt die Möglichkeit der Umwandlung von CO2 in Ethylen erforschen, ist der Ansatz eines Teams der University of Illinois Chicago der erste, der eine nahezu 100 %ige Nutzung von CO2 zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen erreicht. Das Forscherteam unter der Leitung von Meenesh Singh hat einen Weg gefunden, um aus Industrieabgasen abgeschiedenes CO2 zu 100 % in Ethylen umzuwandeln, einen wichtigen Baustein für Kunststoffprodukte. Ihr System nutzt die Elektrolyse zur Umwandlung von abgeschiedenem Kohlendioxidgas in hochreines Ethylen, wobei andere kohlenstoffbasierte Brennstoffe und Sauerstoff als Nebenprodukte anfallen. Die Ergebnisse wurden laut einer Medienmitteilung vom 08.09.2022 in Cell Reports Physical Science open access veröffentlicht.

Abstrakte Illustration von Atomen, die unter einer strahlenden Sonne durch Wasser und eine elektrifizierte Membran strömen – Grafik © Meenesh Singh

Das Verfahren kann bis zu 6 Tonnen CO2 in 1 Tonne Ethylen umwandeln, wobei fast das gesamte abgeschiedene Kohlendioxid recycelt wird. Da das System mit Strom betrieben wird, kann der Prozess durch den Einsatz erneuerbarer Energien kohlenstoffnegativ werden. Singh zufolge übertrifft der Ansatz seines Teams das Netto-Null-Kohlenstoff-Ziel anderer Technologien zur Kohlendioxidabscheidung und -umwandlung, indem er den gesamten CO2-Ausstoß der Industrie tatsächlich reduziert. „Es ist ein Nettonegativ“, sagte er. „Für jede Tonne Ethylen, die produziert wird, werden 6 Tonnen CO2 aus Punktquellen entfernt, die sonst in die Atmosphäre gelangen würden.

Bisherige Versuche, Kohlendioxid in Ethylen umzuwandeln, basierten auf Reaktoren, die Ethylen innerhalb des Kohlendioxid-Emissionsstroms der Quelle produzieren. In diesen Fällen werden in der Regel nur 10 % der CO2-Emissionen in Ethylen umgewandelt. Das Ethylen muss später in einem energieintensiven Prozess, bei dem häufig fossile Brennstoffe zum Einsatz kommen, vom Kohlendioxid getrennt werden.

Bei dem UIC-Konzept wird ein elektrischer Strom durch eine Zelle geleitet, die zur Hälfte mit abgeschiedenem Kohlendioxid und zur anderen Hälfte mit einer Lösung auf Wasserbasis gefüllt ist. Ein elektrifizierter Katalysator zieht geladene Wasserstoffatome aus den Wassermolekülen in die andere, durch eine Membran getrennte Hälfte der Einheit, wo sie sich mit geladenen Kohlenstoffatomen aus den CO2-Molekülen verbinden und Ethylen bilden.

Unter den weltweit hergestellten Chemikalien steht Ethylen bei den Kohlenstoffemissionen an dritter Stelle nach Ammoniak und Zement. Ethylen wird nicht nur zur Herstellung von Kunststoffprodukten für die Verpackungs-, Landwirtschafts- und Automobilindustrie verwendet, sondern auch zur Herstellung von Chemikalien, die in Frostschutzmitteln, medizinischen Sterilisatoren und Vinylverkleidungen für Häuser eingesetzt werden.

Ethylen wird in der Regel in einem Verfahren hergestellt, das als Dampfkracken bezeichnet wird und enorme Wärmemengen erfordert. Beim Cracken entstehen etwa 1,5 t CO2-Emissionen pro Tonne Ethylen. Im Durchschnitt stellen die Hersteller jedes Jahr etwa 160 Mio. t Ethylen her, was weltweit zu mehr als 260 Mio. t CO2-Emissionen führt.

Neben Ethylen konnten die UIC-Wissenschaftler mit ihrem Elektrolyseverfahren auch andere für die Industrie nützliche kohlenstoffreiche Produkte herstellen. Sie erreichten auch einen sehr hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Solarenergie, indem sie 10 % der von den Solarzellen abgegebenen Energie direkt in Kohlenstoffprodukte umwandelten. Dies liegt weit über dem Standard von 2 %, der heute üblich ist. Für das gesamte von ihnen produzierte Ethylen lag der Wirkungsgrad der Solarenergieumwandlung bei etwa 4 %, was in etwa dem Wert der Photosynthese entspricht.

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