20.02.2020 - Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)

Neuer Katalysator recycelt Treibhausgase in Kraftstoff und Wasserstoff

Wissenschaftler haben einen großen Schritt in Richtung einer kreisförmigen Kohlenstoffwirtschaft gemacht, indem sie einen langlebigen, wirtschaftlichen Katalysator entwickelt haben, der Treibhausgase in Bestandteile recycelt, die in Treibstoff, Wasserstoff und anderen Chemikalien verwendet werden können. Die Ergebnisse könnten bei den Bemühungen um eine Umkehrung der globalen Erwärmung revolutionär sein, so die Forscher.

"Wir haben uns vorgenommen, einen wirksamen Katalysator zu entwickeln, der große Mengen der Treibhausgase Kohlendioxid und Methan störungsfrei umwandeln kann", sagte Cafer T. Yavuz, Autor der Arbeit und außerordentlicher Professor für chemische und biomolekulare Technik und für Chemie am KAIST.

Der Katalysator, der aus preisgünstigem und reichlich vorhandenem Nickel, Magnesium und Molybdän hergestellt wird, initiiert und beschleunigt die Reaktionsgeschwindigkeit, die Kohlendioxid und Methan in Wasserstoffgas umwandelt. Es kann mehr als einen Monat lang effizient arbeiten.

Diese Umwandlung wird als "Trockenreformierung" bezeichnet, bei der schädliche Gase wie Kohlendioxid verarbeitet werden, um nützlichere Chemikalien zu produzieren, die für die Verwendung als Brennstoff, Kunststoff oder sogar als Pharmazeutika verfeinert werden könnten. Es handelt sich um ein effektives Verfahren, aber bisher waren seltene und teure Metalle wie Platin und Rhodium erforderlich, um eine kurze und ineffiziente chemische Reaktion zu induzieren.

Andere Forscher hatten zuvor Nickel als wirtschaftlichere Lösung vorgeschlagen, aber die Kohlenstoff-Nebenprodukte würden sich anlagern und die Oberflächen-Nanopartikel würden sich auf dem billigeren Metall zusammenbinden, wodurch sich die Zusammensetzung und Geometrie des Katalysators grundlegend verändern und ihn unbrauchbar machen würde.

"Die Schwierigkeit ergibt sich aus der mangelnden Kontrolle über die zahlreichen aktiven Stellen auf den sperrigen Katalysatoroberflächen, da jede versuchte Veredelung auch die Natur des Katalysators selbst verändert", sagte Yavuz.

Die Forscher stellten Nickel-Molybdän-Nanopartikel unter einer reduktiven Umgebung in Gegenwart eines einkristallinen Magnesiumoxids her. Als die Bestandteile unter Reaktivgas erhitzt wurden, bewegten sich die Nanopartikel auf der unberührten Kristalloberfläche und suchten nach Verankerungspunkten. Der daraus resultierende aktivierte Katalysator versiegelte seine eigenen hochenergetischen aktiven Stellen und fixierte dauerhaft die Position der Nanopartikel - was bedeutet, dass der Katalysator auf Nickelbasis weder eine Kohlenstoffablagerung aufweist noch die Oberflächenpartikel aneinander binden.

"Wir haben fast ein Jahr gebraucht, um den zugrundeliegenden Mechanismus zu verstehen", sagte der Erstautor Youngdong Song, ein graduierter Student in der Abteilung für chemische und biomolekulare Technik am KAIST. "Nachdem wir alle chemischen Ereignisse im Detail untersucht hatten, waren wir schockiert."

Die Forscher tauften den "Nanocatalysts on Single Crystal Edges" (NOSCE). Das Magnesiumoxid-Nanopulver stammt aus einer fein strukturierten Form von Magnesiumoxid, bei der die Moleküle kontinuierlich an den Rand gebunden werden. Es gibt keine Brüche oder Defekte in der Oberfläche, so dass gleichmäßige und vorhersehbare Reaktionen möglich sind.

"Unsere Studie löst eine Reihe von Herausforderungen, mit denen die Katalysatorgemeinschaft konfrontiert ist", sagte Yavuz. "Wir glauben, dass der NOSCE-Mechanismus andere ineffiziente katalytische Reaktionen verbessern und noch weitere Einsparungen von Treibhausgasemissionen ermöglichen wird".

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