17.08.2020 - Brown University

Neuer Katalysator wandelt Kohlendioxid effizient in nützliche Brennstoffe und Chemikalien um

Durch effiziente Umwandlung von CO2 in komplexe Kohlenwasserstoffprodukte könnte überschüssiges Kohlendioxid in großem Maßstab wiederverwertet werden

Da die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre weiter ansteigt, suchen die Wissenschaftler nach neuen Wegen, CO2-Moleküle aufzuspalten, um nützliche kohlenstoffbasierte Brennstoffe, Chemikalien und andere Produkte herzustellen. Nun hat ein Team von Forschern der Brown University einen Weg gefunden, einen Kupferkatalysator fein abzustimmen, um komplexe Kohlenwasserstoffe - bekannt als C2-plus-Produkte - aus CO2 mit bemerkenswerter Effizienz herzustellen.

In einer Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, berichten die Forscher über einen Katalysator, der C2-plus-Verbindungen mit bis zu 72% Faradaic-Effizienz herstellen kann (ein Maß dafür, wie effizient elektrische Energie zur Umwandlung von Kohlendioxid in chemische Reaktionsprodukte verwendet wird). Das ist weit besser als die berichteten Wirkungsgrade anderer Katalysatoren für C2-plus-Reaktionen, sagen die Forscher. Und der Aufbereitungsprozess lässt sich relativ einfach auf ein industrielles Niveau hochskalieren, was dem neuen Katalysator ein Potenzial für den Einsatz bei groß angelegten CO2-Recycling-Bemühungen verleiht.

"In der Literatur gab es Berichte über alle möglichen unterschiedlichen Behandlungen für Kupfer, mit denen diese C2-plus-Produkte mit einer Reihe von unterschiedlichen Wirkungsgraden hergestellt werden können", sagte Tayhas Palmore, Professor für Ingenieurwesen an der Brown University, der das Papier zusammen mit dem Doktoranden Taehee Kim verfasst hat. "Was Taehee machte, war eine Reihe von Experimenten, um zu entwirren, was jeder dieser Behandlungsschritte in Bezug auf die Reaktivität tatsächlich mit dem Katalysator macht, was den Weg zur Optimierung eines Katalysators für diese Multi-Kohlenstoff-Verbindungen aufzeigte.

In den letzten Jahren habe es große Fortschritte bei der Entwicklung von Kupferkatalysatoren gegeben, die einzelne Kohlenstoffmoleküle herstellen könnten, sagt Palmore. Beispielsweise haben Palmore und ihr Team bei Brown kürzlich einen Kupferschaumkatalysator entwickelt, der Ameisensäure, eine wichtige Ein-Kohlenstoff-Chemikalie, effizient herstellen kann. Aber das Interesse an Reaktionen, die C2-plus-Produkte erzeugen können, nimmt zu.

"Letztendlich versucht jeder, die Anzahl der Kohlenstoffe im Produkt so weit zu erhöhen, dass kohlenstoffreichere Brennstoffe und Chemikalien hergestellt werden können", so Palmore.

Frühere Forschungen hatten gezeigt, dass die Halogenierung von Kupfer - eine Reaktion, bei der eine Kupferoberfläche mit Chlor-, Brom- oder Jodatomen in Gegenwart eines elektrischen Potenzials beschichtet wird - die Selektivität eines Katalysators für C2-plus-Produkte erhöhen kann. Kim experimentierte mit einer Vielzahl verschiedener Halogenierungsmethoden, wobei er sich darauf konzentrierte, welche Halogenelemente und welche elektrischen Potentiale Katalysatoren mit der besten Leistung bei CO2-zu-C2-plus-Reaktionen ergaben. Er fand heraus, dass mit den optimalen Vorbereitungen faradaische Wirkungsgrade zwischen 70,7 % und 72,6 % erzielt werden konnten, weit höher als bei jedem anderen Kupferkatalysator.

Die Forschung trägt dazu bei, die Eigenschaften aufzudecken, die einen Kupferkatalysator gut für C2-plus-Produkte machen. Die Präparate mit den höchsten Wirkungsgraden wiesen eine große Anzahl von Oberflächendefekten auf - winzige Risse und Spalten in der halogenierten Oberfläche -, die für Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kupplungsreaktionen entscheidend sind. Diese Defektstellen scheinen der Schlüssel für die hohe Selektivität des Katalysators gegenüber Ethylen zu sein, einem C2-plus-Produkt, das polymerisiert und zur Herstellung von Kunststoffen verwendet werden kann.

Letztendlich wird ein solcher Katalysator bei der groß angelegten Wiederverwertung von CO2 helfen. Die Idee besteht darin, CO2, das in Industrieanlagen wie Kraftwerken, bei der Zementherstellung oder direkt aus der Luft entsteht, abzufangen und in andere nützliche Kohlenstoffverbindungen umzuwandeln. Dazu ist ein effizienter Katalysator erforderlich, der leicht herzustellen und zu regenerieren und kostengünstig genug ist, um im industriellen Maßstab betrieben werden zu können. Dieser neue Katalysator sei ein vielversprechender Kandidat, sagen die Forscher.

"Wir arbeiteten für unsere Experimente mit Katalysatoren im Labormaßstab, aber man konnte mit der entwickelten Methode einen Katalysator praktisch jeder Größe herstellen", sagte Palmore.

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