Neues System öffnet die Tür zur Umwandlung von CO2 in Industriekraftstoffe

Stellen Sie sich einen Tag vor, an dem die Gase aus Kraftwerken und der Schwerindustrie nicht in die Atmosphäre gespuckt, sondern aufgefangen und in katalytische Reaktoren eingespeist werden, die Treibhausgase wie Kohlendioxid chemisch in Industriekraftstoffe oder Chemikalien umwandeln und nur Sauerstoff abgeben.

Es ist eine Zukunft, von der Haotian Wang sagt, dass sie näher sein könnte, als viele glauben.

Ein Fellow am Rowland Institute in Harvard, Wang und Kollegen haben ein verbessertes System zur Nutzung erneuerbarer Energien entwickelt, um Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid zu reduzieren – ein Schlüsselprodukt, das in einer Reihe von industriellen Prozessen eingesetzt wird. Das System wird in einem Papier vom 8. November beschrieben, das in Joule veröffentlicht wurde, einer neu gegründeten Schwesterzeitschrift der Cell Press.

„Die vielversprechendste Idee ist vielleicht, diese Geräte mit Kohlekraftwerken oder einer anderen Industrie zu verbinden, die viel CO2 produziert“, sagte Wang. „Etwa 20 Prozent dieser Gase sind CO2, wenn man sie also in diese Zelle pumpen… und mit sauberem Strom kombinieren kann, dann können wir potenziell nützliche Chemikalien aus diesen Abfällen auf nachhaltige Weise produzieren und sogar einen Großteil dieses CO2-Kreislaufs schließen.“

Das neue System, so Wang, stelle einen dramatischen Fortschritt gegenüber dem dar, den er und seine Kollegen erstmals in einem Papier von 2017 in Chem.

Wo dieses alte System kaum die Größe eines Mobiltelefons hatte und sich auf zwei elektrolytgefüllte Kammern stützte, von denen jede eine Elektrode enthielt, ist das neue System billiger und basiert auf hohen Konzentrationen von CO2-Gas und Wasserdampf, um effizienter zu arbeiten – nur eine 10 x 10 Zentimeter große Zelle, sagte Wang, kann bis zu vier Liter CO pro Stunde produzieren.

Das neue System, so Wang, adressiert die beiden wichtigsten Herausforderungen – Kosten und Skalierbarkeit -, die als Einschränkung des ursprünglichen Ansatzes angesehen wurden.

„In dieser früheren Arbeit hatten wir die einzelnen Nickel-Atom-Katalysatoren entdeckt, die sehr selektiv sind, um CO2 zu CO zu reduzieren… aber eine der Herausforderungen, mit denen wir konfrontiert waren, war, dass die Materialien teuer zu synthetisieren waren“, sagte Wang. „Der Träger, mit dem wir einzelne Nickelatome verankerten, basierte auf Graphen, was es sehr schwierig machte, eine Vergrößerung vorzunehmen, wenn man es in Zukunft im Gramm- oder sogar im Kilogramm-Maßstab für den praktischen Einsatz herstellen wollte.“

Um dieses Problem anzugehen, sagte er, wandte sich sein Team einem kommerziellen Produkt zu, das tausende Male billiger ist als Graphen als alternatives Support-Carbon Black.

Mit einem der elektrostatischen Anziehungskraft ähnlichen Verfahren sind Wang und Kollegen in der Lage, einzelne Nickelatome (positiv geladen) in Defekte (negativ geladen) in Ruß-Nanopartikeln zu absorbieren, wobei das resultierende Material sowohl kostengünstig als auch hochselektiv zur CO2-Reduktion ist.

„Im Moment ist das Beste, was wir produzieren können, Gramm, aber früher konnten wir nur Milligramm pro Charge produzieren“, sagte Wang. „Aber das ist nur durch die Synthesegeräte begrenzt, die wir haben; wenn man einen größeren Tank hätte, könnte man aus diesem Katalysator Kilogramm oder sogar Tonnen herstellen.“

Die andere Herausforderung, die Wang und seine Kollegen zu bewältigen hatten, war damit verbunden, dass das ursprüngliche System nur in einer flüssigen Lösung funktionierte.

Das ursprüngliche System funktionierte, indem eine Elektrode in einer Kammer verwendet wurde, um Wassermoleküle in Sauerstoff und Protonen zu spalten. Während der Sauerstoff wegfloss, würden die durch die flüssige Lösung geleiteten Protonen in die zweite Kammer wandern, wo sie sich mit Hilfe des Nickelkatalysators an CO2 binden und das Molekül auseinander brechen würden, wobei CO und Wasser zurückbleiben. Dieses Wasser könnte dann in die erste Kammer zurückgeführt werden, wo es erneut gespalten wird und der Prozess von vorne beginnt.

„Das Problem war, dass das CO2, das wir in diesem System reduzieren können, nur diejenigen sind, die in Wasser gelöst sind; die meisten der Moleküle, die den Katalysator umgeben, waren Wasser“, sagte er. „Es gab nur eine Spur von CO2, also war es ziemlich ineffizient.“

Während es verlockend sein kann, die Spannung am Katalysator einfach zu erhöhen, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, kann das die unbeabsichtigte Folge haben, Wasser zu spalten und CO2 nicht zu reduzieren, sagte Wang.

„Wenn Sie das CO2 in der Nähe der Elektrode verbrauchen, müssen andere Moleküle an die Elektrode diffundieren, und das braucht Zeit“, sagte Wang. „Aber wenn Sie die Spannung erhöhen, ist es wahrscheinlicher, dass das umgebende Wasser die Gelegenheit nutzt, zu reagieren und sich in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten.“

Die Lösung erwies sich als relativ einfach zu vermeiden, Wasser zu spalten, das Team nahm den Katalysator aus der Lösung.

„Wir haben das flüssige Wasser durch Wasserdampf ersetzt und hochkonzentriertes CO2-Gas eingespeist“, sagte er. „Wenn das alte System also zu mehr als 99 Prozent aus Wasser und zu weniger als 1 Prozent aus CO2 bestand, können wir das jetzt vollständig umkehren und 97 Prozent CO2-Gas und nur 3 Prozent Wasserdampf in dieses System pumpen. Davor fungiert flüssiges Wasser auch als Ionenleiter im System, und jetzt verwenden wir stattdessen Ionenaustauschermembranen, um Ionen zu helfen, sich ohne flüssiges Wasser zu bewegen.

„Die Auswirkung ist, dass wir eine um eine Größenordnung höhere Stromdichte liefern können“, fuhr er fort. „Früher arbeiteten wir mit etwa zehn Milliampere pro Quadratzentimeter, aber heute können wir leicht auf 100 Milliampere aufsteigen.“

In Zukunft, so Wang, habe das System noch immer Herausforderungen zu überwinden – insbesondere im Hinblick auf die Stabilität.

„Wenn Sie dies nutzen wollen, um wirtschaftliche oder ökologische Auswirkungen zu erzielen, muss es einen kontinuierlichen Betrieb von Tausenden von Stunden haben“, sagte er. „Im Moment können wir das für Dutzende von Stunden tun, also gibt es immer noch eine große Lücke, aber ich glaube, diese Probleme können mit einer detaillierteren Analyse sowohl des CO2-Reduktionskatalysators als auch des Wasseroxidationskatalysators gelöst werden.“

Letztendlich, so Wang, könnte der Tag kommen, an dem die Industrie in der Lage sein wird, das jetzt an die Atmosphäre abgegebene CO2 abzutrennen und in nützliche Produkte umzuwandeln.

„Kohlenmonoxid ist kein besonders hochwertiges chemisches Produkt“, sagte Wang. „Um mehr Möglichkeiten zu erforschen, hat meine Fraktion auch mehrere Katalysatoren auf Kupferbasis entwickelt, die CO2 weiter in Produkte reduzieren können, die viel wertvoller sind.“

Wang würdigte die Freiheit, die er am Rowland Institute genoss, um zu Durchbrüchen wie dem neuen System beizutragen.

„Rowland hat mir als Early Career Researcher eine großartige Plattform für unabhängige Forschung geboten, die einen großen Teil der Forschungsrichtungen initiiert, die meine Gruppe weiter vorantreiben wird“, sagte Wang, der kürzlich eine Stelle an der Rice University angenommen hat. „Ich werde definitiv meine Tage hier vermissen.“

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