07.02.2022 - University of Delaware

Bahnbrechende Technologie zur Entfernung von 99% des Kohlendioxids aus der Luft

Fortschritt bei der Kohlenstoffabscheidung könnte umweltfreundliche Brennstoffzellen der Marktreife näher bringen

Ingenieure der University of Delaware haben gezeigt, wie 99 % des Kohlendioxids mit Hilfe eines neuartigen elektrochemischen Systems, das mit Wasserstoff betrieben wird, effektiv aus der Luft abgeschieden werden können.

Dies ist ein bedeutender Fortschritt für die Kohlendioxidabscheidung und könnte umweltfreundlichere Brennstoffzellen näher an den Markt bringen.

Das Forscherteam unter der Leitung von UD-Professor Yushan Yan berichtete am Donnerstag, 3. Februar, in Nature Energy über seine Methode.

Bahnbrechende Technologie für die Effizienz von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie von Brennstoffen direkt in Elektrizität um. Sie können im Verkehrswesen z. B. für Hybrid- oder Null-Emissions-Fahrzeuge eingesetzt werden.

Yan, Inhaber des Henry Belin du Pont-Lehrstuhls für Chemie- und Biomolekulartechnik, arbeitet seit einiger Zeit an der Verbesserung von Hydroxid-Austauschmembran-Brennstoffzellen (hydroxide exchange membrane, HEM), einer wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Alternative zu den herkömmlichen, heute verwendeten säurebasierten Brennstoffzellen.

HEM-Brennstoffzellen haben jedoch ein Manko, das sie bisher von der Straße ferngehalten hat: Sie reagieren extrem empfindlich auf Kohlendioxid in der Luft. Das Kohlendioxid macht es einer HEM-Brennstoffzelle schwer, zu atmen.

Dieser Defekt verringert die Leistung und den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle schnell um bis zu 20%, so dass die Brennstoffzelle nicht besser als ein Benzinmotor ist. Yans Forschungsgruppe hat über 15 Jahre lang nach einer Lösung für dieses Kohlendioxid-Problem gesucht.

Vor ein paar Jahren erkannten die Forscher, dass dieser Nachteil tatsächlich eine Lösung sein könnte - für die Entfernung von Kohlendioxid.

"Als wir den Mechanismus untersuchten, stellten wir fest, dass die Brennstoffzellen so gut wie jedes bisschen Kohlendioxid einfangen, das in sie hineingelangt, und dass sie wirklich gut darin sind, es auf die andere Seite abzuscheiden", sagt Brian Setzler, Assistenzprofessor für Forschung in Chemie- und Biomolekulartechnik und Mitautor der Arbeit.

Dies ist zwar nicht gut für die Brennstoffzelle, aber das Team wusste, dass es diesen eingebauten "Selbstreinigungsprozess" in einem separaten Gerät vor dem Brennstoffzellenstapel nutzen könnte, um ihn in einen Kohlendioxidabscheider zu verwandeln.

"Es stellte sich heraus, dass unser Ansatz sehr effektiv ist. Wir können 99% des Kohlendioxids aus der Luft in einem Durchgang abscheiden, wenn wir das richtige Design und die richtige Konfiguration haben", so Yan.

Und wie haben sie das geschafft?

Sie haben einen Weg gefunden, die Stromquelle für die elektrochemische Technologie in die Trennmembran einzubetten. Der Ansatz bestand darin, das Gerät intern kurzzuschließen.

"Es ist riskant, aber es ist uns gelungen, diese kurzgeschlossene Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu steuern. Und durch die Verwendung dieser internen, elektrisch kurzgeschlossenen Membran konnten wir auf die sperrigen Komponenten wie Bipolarplatten, Stromkollektoren oder elektrische Drähte verzichten, die normalerweise in einem Brennstoffzellenstapel zu finden sind", so Lin Shi, Doktorand in der Yan-Gruppe und Hauptautor der Arbeit.

Nun verfügte das Forschungsteam über ein elektrochemisches Gerät, das wie eine normale Filtermembran zur Abscheidung von Gasen aussah, aber die Fähigkeit besaß, kontinuierlich winzige Mengen Kohlendioxid aus der Luft aufzunehmen, wie ein komplizierteres elektrochemisches System.

Indem die Drähte des Geräts in die Membran eingebettet wurden, wurde eine Abkürzung geschaffen, die es den Kohlendioxidpartikeln erleichterte, von einer Seite zur anderen zu gelangen. Außerdem konnte das Team so ein kompaktes, spiralförmiges Modul mit einer großen Oberfläche in einem kleinen Volumen konstruieren. Mit anderen Worten, sie haben jetzt ein kleineres Gehäuse, das größere Luftmengen auf einmal filtern kann, was es für Brennstoffzellenanwendungen sowohl effektiv als auch kostengünstig macht. Weniger Komponenten bedeuten geringere Kosten und, was noch wichtiger ist, eine Möglichkeit zur einfachen Vergrößerung für den Markt.

Die Ergebnisse des Forschungsteams zeigten, dass eine elektrochemische Zelle mit einer Größe von 2 Zoll mal 2 Zoll kontinuierlich etwa 99% des Kohlendioxids aus der Luft entfernen kann, die mit einer Geschwindigkeit von etwa zwei Litern pro Minute strömt. Ein erster Prototyp eines spiralförmigen Geräts von der Größe einer 12-Unzen-Limonendose ist in der Lage, 10 Liter Luft pro Minute zu filtern und 98% des Kohlendioxids herauszuschrubben, so die Forscher.

Im Maßstab für eine Automobilanwendung hätte das Gerät etwa die Größe einer Gallone Milch, sagte Setzer, aber das Gerät könnte auch anderswo zur Entfernung von Kohlendioxid eingesetzt werden. Die von UD patentierte Technologie könnte beispielsweise leichtere und effizientere Geräte zur Entfernung von Kohlendioxid in Raumfahrzeugen oder U-Booten ermöglichen, wo eine kontinuierliche Filtration von entscheidender Bedeutung ist.

"Wir haben einige Ideen für einen langfristigen Fahrplan, der uns wirklich helfen kann, dieses Ziel zu erreichen", so Setzler.

Da das elektrochemische System mit Wasserstoff betrieben wird, könnte es laut Shi im Zuge der Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft auch in Flugzeugen und Gebäuden eingesetzt werden, wo die Umluft als Energiesparmaßnahme erwünscht ist. Im Anschluss an die Verteidigung seiner Dissertation wird Shi noch in diesem Monat zu Versogen wechseln, einem von Yan gegründeten UD-Spinoff-Unternehmen, um die Forschung im Bereich des nachhaltigen grünen Wasserstoffs weiter voranzutreiben.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

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