Recycling im Nanomaßstab
Ein elektrochemischer Prozess erntet Kohlenstoff, bevor er zur Luftverschmutzung wird, und strukturiert ihn in die Bestandteile alltäglicher Produkte um. Das Bestreben, in der Luft befindliches Kohlendioxid aus Industrieabfällen einzufangen und es in Treibstoff und Kunststoffe umzuwandeln, gewinnt an Fahrt, nachdem ein Forscherteam der kanadischen McMaster University (Hamilton, eine Stunde von Niagara Falls) und Experten für Computerchemie an der Dänischen Technischen Universität in Kopenhagen herausgefunden haben, wie der Prozess funktioniert und wo er ins Stocken gerät.
Wasserdampf-, CO2– und Rauchausstoß in Berlin – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft
Die Forscher wollten herausfinden, warum synthetische Materialien, die nachweislich Kohlendioxid katalysieren und umwandeln, zu schnell zerfallen, als dass der Prozess auf industrieller Ebene anwendbar wäre. Mithilfe extrem leistungsstarker Vergrößerungsgeräte am Canadian Centre for Electron Microscopy (CCEM) auf dem McMaster-Campus konnten die Forscher die chemische Reaktion im Nanomaßstab – einem Milliardstel Meter – erfassen und so sowohl den Umwandlungsprozess untersuchen als auch verstehen, wie der Katalysator unter Betriebsbedingungen zerbricht.
Hauptautor Ahmed Abdellah hat Jahre damit verbracht, die Techniken zur Beobachtung des Prozesses zu entwickeln, indem er einen elektrochemischen Reaktor verwendete, der klein genug war, um unter den Elektronenmikroskopen zu arbeiten. „Für uns ist es aufregend, dass dies das erste Mal ist, dass jemand sowohl die Formen dieser Strukturen als auch ihre Kristallstrukturen betrachten und sehen kann, wie sie sich auf der Nanoskala entwickeln“, sagt Abdellah, ehemaliger Doktorand im Chemieingenieurwesen Labor von Drew Higgins und jetzt Postdoktorand am CCEM.
Higgins, korrespondierender Autor des Papiers, das kürzlich in Nature Communications open access veröffentlicht wurde, hofft, dass die neuen Informationen die weltweiten Bemühungen zur Reduzierung der Kohlenstoffverschmutzung erleichtern werden, indem Kohlendioxid aus Abfallströmen abgezogen und stattdessen recycelt wird, um nützliche Produkte herzustellen, die andernfalls nützlich wären aus fossilen Brennstoffen hergestellt. „Wir haben herausgefunden, dass sich Katalysatoren, die Kohlendioxid in Kraftstoffe und Chemikalien umwandeln können, unter Betriebsbedingungen recht schnell umstrukturieren.
„Ihre Strukturen und ihre Eigenschaften ändern sich direkt vor unseren Augen“, sagt Higgins. „Das bestimmt, wie effizient sie Kohlendioxid umwandeln und wie lange sie halten.“ Die Katalysatoren verschlechtern sich irgendwann und stellen ihre Funktion ein. Wir wollen wissen, warum und wie sie das tun, damit wir Strategien zur Verbesserung ihrer Betriebslebensdauer entwickeln können.“
Abdellah, Higgins und ihre Kollegen hoffen, dass sie und andere Forscher auf der ganzen Welt die in dem neuen Papier beschriebenen Forschungsergebnisse nutzen können, um die Lebensdauer der reaktiven Materialien zu verlängern und den Prozess effizienter zu katalysieren, damit der laborbasierte Prozess vergrößert werden kann zur kommerziellen Nutzung. Industrien wie die Zementherstellung, Brauerei und Destillation sowie chemische Raffinerien produzieren große Mengen an leicht rückgewinnbarem Kohlendioxid, erklärt Higgins, was sie wahrscheinlich zu ersten Zielen für die Einführung der Technologie macht, sobald sie so weit verbessert ist, dass sie kommerziell realisierbar ist.
Als nächstes kämen andere weniger konzentrierte Formen von CO2 in Industrieabfällen hinzu. Obwohl dies heute noch ein weiter Weg ist, hält Higgins es für möglich, dass dieselbe Technologie effizient und stabil genug werden könnte, um Kohlendioxid aus der Umgebungsluft als „Rohstoff“ für Treibstoff und nützliche Chemikalien zu gewinnen. „Wir sind noch ein kleines Stück davon entfernt, aber in diesem Bereich der Forschung und Entwicklung wurden in den letzten etwa fünf Jahren sehr schnelle Fortschritte gemacht“, sagt Higgins. „Vor zehn Jahren dachten die Leute nicht über eine solche Umstellung nach, aber jetzt beginnen wir, vielversprechende Ergebnisse zu sehen. Effizienz und Haltbarkeit sind jedoch noch nicht hoch genug. Sobald diese Engpässe beseitigt sind, kann diese Idee richtig durchstarten.“
Abstract aus Nature Communication
Die elektrochemische Umwandlung von CO2 bietet einen nachhaltigen Weg zur Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien. Katalysatoren auf Pd-Basis sind wirksam für die Umwandlung von CO2 in Formiat bei niedrigen Überspannungen und CO/H2 bei hohen Überspannungen, während sie unter Reaktionsbedingungen, die sich auf die Leistung auswirken, schlecht verstandene Morphologie- und Phasenstrukturumwandlungen durchlaufen. In diesem Artikel werden In-situ-Transmissionselektronenmikroskopie in der Flüssigphase und punktuelle Beugungsmessungen eingesetzt, um die Morphologie und die Pd/PdHx-Phasenumwandlung unter Reaktionsbedingungen in Abhängigkeit vom Elektrodenpotential zu verfolgen.
Diese Untersuchungen identifizieren die Degradationsmechanismen, einschließlich der Vergiftung und der physikalischen Strukturveränderungen, die in PdHx/Pd-Elektroden auftreten. Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie mit konstantem Potential werden verwendet, um die Reaktionsmechanismen zu untersuchen, die an den unter Reaktionsbedingungen beobachteten PdHx-Strukturen auftreten. Die mikrokinetische Modellierung zeigt, dass die Interkalation von *H in Pd für die Formiatproduktion wesentlich ist. Die Änderung der elektrochemischen CO2-Umwandlungsselektivität weg von Formiat und hin zu CO/H2 bei zunehmenden Überspannungen ist jedoch auf elektrodenpotentialabhängige Änderungen in der Reaktionsenergetik zurückzuführen und keine Folge von Morphologie- oder Phasenstrukturänderungen.
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