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Kohlendioxid (CO2) entsteht bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe und ist das häufigste Treibhausgas, das auf nachhaltige Weise wieder in nützliche Brennstoffe umgewandelt werden kann. Eine vielversprechende Möglichkeit, CO2-Emissionen in Kraftstoffrohstoffe umzuwandeln, ist ein Prozess namens elektrochemische Reduktion. Um jedoch wirtschaftlich rentabel zu sein, muss das Verfahren verbessert werden, um mehr gewünschte kohlenstoffreiche Produkte auszuwählen oder herzustellen. Wie in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ berichtet, hat das Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) nun 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, leitender Wissenschaftler am Department of Chemical Sciences des Berkeley Lab und Professor für Chemieingenieurwesen an der Universität von Kalifornien, Berkeley. Sagte Spell. „Unser Team hat herausgefunden, dass man die lokale Umgebung des Katalysators nutzen kann, um verschiedene Tricks anzuwenden, um diese Art von Selektivität bereitzustellen.“
In früheren Studien haben Forscher genaue Bedingungen geschaffen, um die beste elektrische und chemische Umgebung für die Herstellung kohlenstoffreicher Produkte mit kommerziellem Wert bereitzustellen. Diese Bedingungen stehen jedoch im Widerspruch zu den Bedingungen, die natürlicherweise in typischen Brennstoffzellen mit leitfähigen Materialien auf Wasserbasis auftreten.
Um das Design zu bestimmen, das in der Brennstoffzellen-Wasserumgebung verwendet werden kann, wandten sich Bell und sein Team im Rahmen des Energy Innovation Center-Projekts der Liquid Sunshine Alliance des Energieministeriums einer dünnen Ionomerschicht zu, die bestimmte Ladungen ermöglicht Moleküle (Ionen) passieren. Andere Ionen ausschließen. Aufgrund ihrer hochselektiven chemischen Eigenschaften sind sie besonders geeignet, eine starke Wirkung auf die Mikroumgebung auszuüben.
Chanyeon Kim, Postdoktorandin in der Bell-Gruppe und Erstautorin der Arbeit, schlug vor, die Oberfläche von Kupferkatalysatoren mit zwei gängigen Ionomeren zu beschichten: Nafion und Sustainion. Das Team stellte die Hypothese auf, dass dadurch die Umgebung in der Nähe des Katalysators – einschließlich des pH-Werts sowie der Menge an Wasser und Kohlendioxid – in gewisser Weise verändert werden sollte, um die Reaktion so zu steuern, dass kohlenstoffreiche Produkte entstehen, die leicht in nützliche Chemikalien umgewandelt werden können. Produkte und flüssige Brennstoffe.
Die Forscher trugen eine dünne Schicht jedes Ionomers und eine Doppelschicht aus zwei Ionomeren auf einen Kupferfilm auf, der von einem Polymermaterial getragen wurde, um einen Film zu bilden, den sie nahe einem Ende einer handförmigen elektrochemischen Zelle einführen konnten. Beim Einspritzen von Kohlendioxid in die Batterie und Anlegen von Spannung maßen sie den Gesamtstrom, der durch die Batterie floss. Anschließend maßen sie das während der Reaktion im angrenzenden Reservoir gesammelte Gas und die Flüssigkeit. Für den zweischichtigen Fall stellten sie fest, dass kohlenstoffreiche Produkte 80 % der durch die Reaktion verbrauchten Energie ausmachten – mehr als 60 % im unbeschichteten Fall.
„Diese Sandwichbeschichtung bietet das Beste aus beiden Welten: hohe Produktselektivität und hohe Aktivität“, sagte Bell. Die doppelschichtige Oberfläche ist nicht nur gut für kohlenstoffreiche Produkte, sondern erzeugt gleichzeitig auch eine starke Strömung, was auf eine Steigerung der Aktivität hinweist.
Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die verbesserte Reaktion auf die hohe CO2-Konzentration zurückzuführen ist, die sich in der Beschichtung direkt auf dem Kupfer angesammelt hat. Darüber hinaus erzeugen negativ geladene Moleküle, die sich im Bereich zwischen den beiden Ionomeren ansammeln, einen geringeren lokalen Säuregehalt. Diese Kombination gleicht die Konzentrationskompromisse aus, die bei Abwesenheit von Ionomerfilmen auftreten.
Um die Effizienz der Reaktion weiter zu verbessern, griffen die Forscher auf eine bereits bewährte Technologie zurück, die keinen Ionomerfilm als weitere Methode zur Erhöhung von CO2 und pH-Wert erfordert: gepulste Spannung. Durch Anlegen einer gepulsten Spannung an die doppelschichtige Ionomerbeschichtung erreichten die Forscher eine 250-prozentige Steigerung der kohlenstoffreichen Produkte im Vergleich zu unbeschichtetem Kupfer und statischer Spannung.
Obwohl einige Forscher ihre Arbeit 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 genutzt, um darüber nachzudenken, wie wir die Umgebung des Katalysatorstandorts verändern können“, sagte Adam Weber, ein leitender Ingenieur. Wissenschaftler auf dem Gebiet der Energietechnologie an den Berkeley Laboratories und Co-Autor von Artikeln.
Der nächste Schritt ist der Ausbau der Produktion von Schalenkatalysatoren. Die Vorexperimente des Berkeley Lab-Teams umfassten kleine flache Modellsysteme, die viel einfacher waren als die großflächigen porösen Strukturen, die für kommerzielle Anwendungen erforderlich sind. „Es ist nicht schwierig, eine Beschichtung auf einer ebenen Fläche aufzutragen. Aber bei kommerziellen Methoden könnten winzige Kupferkugeln beschichtet werden“, sagte Bell. Das Auftragen einer zweiten Beschichtungsschicht wird zur Herausforderung. Eine Möglichkeit besteht darin, die beiden Beschichtungen zu mischen und zusammen in einem Lösungsmittel aufzutragen und zu hoffen, dass sie sich trennen, wenn das Lösungsmittel verdunstet. Was ist, wenn sie es nicht tun? Bell kam zu dem Schluss: „Wir müssen einfach schlauer sein.“ Siehe Kim C, Bui JC, Luo X und andere. Maßgeschneiderte Katalysator-Mikroumgebung für die Elektroreduktion von CO2 zu Multikohlenstoffprodukten 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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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 22. November 2021
