07.08.2020 - Argonne National Laboratory

Umwandlung von Kohlendioxid in flüssigen Kraftstoff

Neuer Elektrokatalysator wandelt Kohlendioxid effizient in Ethanol um

Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen und bilden das Rückgrat vieler industrieller Prozesse. Beispielsweise sind sie bei der Umwandlung von Schweröl in Benzin oder Düsentreibstoff unverzichtbar. Heute sind Katalysatoren an über 80 Prozent aller hergestellten Produkte beteiligt.

Ein Forschungsteam, das vom Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) in Zusammenarbeit mit der Northern Illinois University geleitet wird, hat einen neuen Elektrokatalysator entdeckt, der Kohlendioxid (CO2) und Wasser mit sehr hoher Energieeffizienz, hoher Selektivität für das gewünschte Endprodukt und niedrigen Kosten in Ethanol umwandelt. Ethanol ist ein besonders begehrenswerter Rohstoff, da es ein Bestandteil fast aller US-Benzine ist und als Zwischenprodukt in der chemischen, pharmazeutischen und kosmetischen Industrie weit verbreitet ist.

"Der aus unserem Katalysator resultierende Prozess würde zur kreisförmigen Kohlenstoffwirtschaft beitragen, die die Wiederverwendung von Kohlendioxid mit sich bringt", sagte Di-Jia Liu, leitende Chemikerin in der Abteilung für chemische Wissenschaften und Ingenieurwesen in Argonne und CASE-Wissenschaftlerin in UChicago an der Pritzker School of Molecular Engineering der Universität Chicago. Bei diesem Verfahren würde das CO2, das bei industriellen Prozessen, wie z.B. Kraftwerken für fossile Brennstoffe oder Alkoholfermentierungsanlagen, ausgestoßen wird, elektrochemisch zu vertretbaren Kosten in wertvolle Rohstoffe umgewandelt.

Der Katalysator des Teams besteht aus atomar dispergiertem Kupfer auf einem Kohlenstoff-Pulverträger. Durch eine elektrochemische Reaktion zersetzt dieser Katalysator CO2- und Wassermoleküle und setzt die zersetzten Moleküle unter einem externen elektrischen Feld selektiv wieder zu Ethanol zusammen. Die elektrokatalytische Selektivität oder "Faradaic-Effizienz" des Verfahrens liegt bei über 90 Prozent und ist damit viel höher als bei jedem anderen berichteten Verfahren. Darüber hinaus arbeitet der Katalysator über einen längeren Betrieb bei niedriger Spannung stabil.

"Mit dieser Forschung haben wir einen neuen katalytischen Mechanismus für die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Ethanol entdeckt", sagte Tao Xu, Professor für Physikalische Chemie und Nanotechnologie an der Northern Illinois University. "Der Mechanismus sollte auch eine Grundlage für die Entwicklung hocheffizienter Elektrokatalysatoren für die Umwandlung von Kohlendioxid in eine breite Palette von wertschöpfenden Chemikalien bieten.

Da CO2 ein stabiles Molekül ist, ist die Umwandlung in ein anderes Molekül normalerweise energie- und kostenintensiv. Laut Liu könnten wir jedoch "den elektrochemischen Prozess der CO2-Ethanol-Umwandlung mit Hilfe unseres Katalysators an das Stromnetz koppeln und die Vorteile der kostengünstigen Elektrizität aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind in den Schwachlastzeiten nutzen", so Liu. Da der Prozess bei niedriger Temperatur und unter niedrigem Druck abläuft, kann er als Reaktion auf die intermittierende Zufuhr des erneuerbaren Stroms schnell starten und stoppen.

Die Forschung des Teams profitierte von zwei DOE Office of Science User Facilities in Argonne - der Advanced Photon Source (APS) und dem Center for Nanoscale Materials (CNM) - sowie von Argonne's Laboratory Computing Resource Center (LCRC). "Dank des hohen Photonenflusses der Röntgenstrahlen am APS haben wir die strukturellen Veränderungen des Katalysators während der elektrochemischen Reaktion eingefangen", sagte Tao Li, ein Assistenzprofessor in der Abteilung für Chemie und Biochemie an der Northern Illinois University und ein Assistenzwissenschaftler in der Röntgenabteilung von Argonne. Diese Daten zusammen mit der hochauflösenden Elektronenmikroskopie am CNM und der rechnergestützten Modellierung mit dem LCRC ergaben eine reversible Umwandlung von atomar verteiltem Kupfer in Cluster aus jeweils drei Kupferatomen beim Anlegen einer niedrigen Spannung. Die CO2-Ethanol-Katalyse findet an diesen winzigen Kupferclustern statt. Diese Erkenntnis wirft Licht auf Möglichkeiten, den Katalysator durch rationelles Design weiter zu verbessern.

"Wir haben mehrere neue Katalysatoren mit diesem Ansatz vorbereitet und festgestellt, dass sie alle sehr effizient bei der Umwandlung von CO2 in andere Kohlenwasserstoffe sind", sagte Liu. "Wir planen, diese Forschung in Zusammenarbeit mit der Industrie fortzusetzen, um diese vielversprechende Technologie voranzubringen.

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