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Kohlendioxid (CO2) entsteht bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe und ist das häufigste Treibhausgas. Es kann auf nachhaltige Weise wieder in nützliche Brennstoffe umgewandelt werden. Eine vielversprechende Methode zur Umwandlung von CO2-Emissionen in Brennstoffrohstoffe ist die elektrochemische Reduktion. Um jedoch kommerziell rentabel zu sein, muss der Prozess verbessert werden, um mehr gewünschte kohlenstoffreiche Produkte auszuwählen oder herzustellen. Wie nun in der Fachzeitschrift Nature Energy berichtet, hat das Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) eine neue Methode entwickelt, um die Oberfläche des für die Hilfsreaktion verwendeten Kupferkatalysators zu verbessern und so die Selektivität des Prozesses zu erhöhen.
„Obwohl wir wissen, dass Kupfer der beste Katalysator für diese Reaktion ist, bietet es keine hohe Selektivität für das gewünschte Produkt“, sagte Alexis Spell, leitender Wissenschaftler in der Abteilung für Chemiewissenschaften des Berkeley Lab und Professor für Chemieingenieurwesen an der University of California, Berkeley. „Unser Team hat herausgefunden, dass man die lokale Umgebung des Katalysators mit verschiedenen Tricks nutzen kann, um diese Art von Selektivität zu erreichen.“
In früheren Studien haben Forscher präzise Bedingungen ermittelt, um die optimale elektrische und chemische Umgebung für die Herstellung kohlenstoffreicher Produkte mit kommerziellem Wert zu schaffen. Diese Bedingungen stehen jedoch im Widerspruch zu den Bedingungen, die in typischen Brennstoffzellen mit wasserbasierten leitfähigen Materialien natürlicherweise herrschen.
Um das Design zu bestimmen, das in der Brennstoffzellen-Wasserumgebung eingesetzt werden kann, verwendeten Bell und sein Team im Rahmen des Projekts „Energy Innovation Center“ der Liquid Sunshine Alliance des Energieministeriums eine dünne Ionomerschicht, die bestimmte geladene Moleküle (Ionen) passieren lässt, andere Ionen jedoch ausschließt. Aufgrund ihrer hochselektiven chemischen Eigenschaften eignen sie sich besonders gut, um die Mikroumgebung stark zu beeinflussen.
Chanyeon Kim, Postdoktorand in der Bell-Gruppe und Erstautor der Arbeit, schlug vor, die Oberfläche von Kupferkatalysatoren mit zwei gängigen Ionomeren, Nafion und Sustainion, zu beschichten. Das Team vermutete, dass sich dadurch die Umgebung in der Nähe des Katalysators – einschließlich des pH-Werts und der Menge an Wasser und Kohlendioxid – verändern sollte, um die Reaktion so zu lenken, dass kohlenstoffreiche Produkte entstehen, die sich leicht in nützliche Chemikalien, Produkte und flüssige Brennstoffe umwandeln lassen.
Die Forscher trugen jeweils eine dünne Schicht jedes Ionomers und eine Doppelschicht aus zwei Ionomeren auf einen Kupferfilm auf, der von einem Polymermaterial gestützt wurde. Diesen Film konnten sie in der Nähe eines Endes einer handförmigen elektrochemischen Zelle platzieren. Beim Einleiten von Kohlendioxid in die Batterie und Anlegen einer Spannung maßen sie den Gesamtstrom, der durch die Batterie floss. Anschließend maßen sie die während der Reaktion im angrenzenden Reservoir gesammelte Gas- und Flüssigkeitsmenge. Im Fall der zweischichtigen Batterie stellten sie fest, dass kohlenstoffreiche Produkte 80 % der von der Reaktion verbrauchten Energie ausmachten – im unbeschichteten Fall sogar mehr als 60 %.
„Diese Sandwich-Beschichtung vereint das Beste aus beiden Welten: hohe Produktselektivität und hohe Aktivität“, sagte Bell. Die doppelschichtige Oberfläche sei nicht nur gut für kohlenstoffreiche Produkte, sondern erzeuge gleichzeitig einen starken Strom, was auf eine erhöhte Aktivität hindeute.
Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die verbesserte Reaktion auf die hohe CO2-Konzentration in der Beschichtung direkt auf dem Kupfer zurückzuführen sei. Zusätzlich führten negativ geladene Moleküle, die sich im Bereich zwischen den beiden Ionomeren ansammeln, zu einer geringeren lokalen Säurekonzentration. Diese Kombination gleicht die Konzentrationskompromisse aus, die ohne Ionomerfilme auftreten.
Um die Effizienz der Reaktion weiter zu verbessern, griffen die Forscher auf eine bereits bewährte Technologie zurück, die keinen Ionomerfilm benötigt, um CO2 und pH-Wert zu erhöhen: gepulste Spannung. Durch die Anwendung gepulster Spannung auf die doppelschichtige Ionomerbeschichtung erreichten die Forscher eine 250-prozentige Steigerung der kohlenstoffreichen Produkte im Vergleich zu unbeschichtetem Kupfer und statischer Spannung.
Obwohl sich einige Forscher auf die Entwicklung neuer Katalysatoren konzentrieren, werden bei der Entdeckung des Katalysators die Betriebsbedingungen nicht berücksichtigt. Die Kontrolle der Umgebung auf der Katalysatoroberfläche ist eine neue und andere Methode.
„Wir haben keinen völlig neuen Katalysator entwickelt, sondern unser Verständnis der Reaktionskinetik genutzt und dieses Wissen als Leitfaden für unsere Überlegungen genutzt, wie wir die Umgebung des Katalysatorstandorts verändern können“, sagte Adam Weber, leitender Ingenieur, Wissenschaftler auf dem Gebiet der Energietechnologie an den Berkeley Laboratories und Co-Autor der Arbeiten.
Der nächste Schritt ist die Ausweitung der Produktion beschichteter Katalysatoren. Die Vorversuche des Berkeley-Lab-Teams umfassten kleine flache Modellsysteme, die deutlich einfacher waren als die großflächigen porösen Strukturen, die für kommerzielle Anwendungen benötigt werden. „Es ist nicht schwierig, eine Beschichtung auf eine flache Oberfläche aufzutragen. Kommerzielle Methoden können jedoch die Beschichtung winziger Kupferkugeln beinhalten“, sagte Bell. Das Auftragen einer zweiten Schicht wird zu einer Herausforderung. Eine Möglichkeit besteht darin, die beiden Beschichtungen in einem Lösungsmittel zu mischen und abzuscheiden und zu hoffen, dass sie sich trennen, wenn das Lösungsmittel verdunstet. Was, wenn dies nicht der Fall ist? Bell schloss: „Wir müssen einfach klüger vorgehen.“ Siehe Kim C, Bui JC, Luo X und andere. Maßgeschneiderte Katalysator-Mikroumgebung für die Elektroreduktion von CO2 zu Multi-Kohlenstoff-Produkten unter Verwendung einer doppelschichtigen Ionomerbeschichtung auf Kupfer. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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Veröffentlichungszeit: 22. November 2021
