Recycling von Kohlendioxid zu Haushaltschemikalien
Neuer Katalysator verwandelt Kohlendioxid aus Industrieemissionen in gängige Chemikalien
Ein kostengünstiger Katalysator auf Zinnbasis kann Kohlendioxid selektiv in drei weit verbreitete Chemikalien - Ethanol, Essigsäure und Ameisensäure - umwandeln.
Forscher experimentieren mit Katalysatoren auf Zinnbasis, die CO2 effizient in Ethanol, Essigsäure oder Ameisensäure umwandeln. Auf dem Bild sind die Argonne-Forscher Haozhe Zhang und Jianxin Wang zu sehen.
Image by Argonne National Laboratory
In den Emissionen vieler Industriebetriebe schlummert eine ungenutzte Ressource - Kohlendioxid (CO2). Es ist ein Treibhausgas, das zur globalen Erwärmung beiträgt und könnte stattdessen aufgefangen und in Chemikalien mit hohem Mehrwert umgewandelt werden.
In einem Gemeinschaftsprojekt, an dem das Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE), die Northern Illinois University und die Valparaiso University beteiligt sind, berichten Wissenschaftler über eine Familie von Katalysatoren, die CO2 effizient in Ethanol, Essigsäure oder Ameisensäure umwandeln. Diese flüssigen Kohlenwasserstoffe gehören zu den am meisten produzierten Chemikalien in den USA und sind in vielen kommerziellen Produkten enthalten. So ist Ethanol beispielsweise ein wichtiger Bestandteil zahlreicher Haushaltsprodukte und ein Zusatzstoff für fast das gesamte US-Benzin.
Die Katalysatoren basieren auf Zinnmetall, das auf einen Kohlenstoffträger aufgebracht wird. Wenn sie voll entwickelt sind, könnten unsere Katalysatoren das CO2, das an verschiedenen industriellen Quellen entsteht, in wertvolle Chemikalien umwandeln", so Di-Jia Liu. Zu diesen Quellen gehören Kraftwerke für fossile Brennstoffe sowie Biofermentations- und Abfallbehandlungsanlagen". Liu ist leitender Chemiker bei Argonne und leitender Wissenschaftler an der Pritzker School of Molecular Engineering an der University of Chicago.
"Unsere Erkenntnis, dass sich der Reaktionsweg durch die Größe des Katalysators ändert, ist beispiellos." - Di-Jia Liu, leitender Chemiker.
Die von dem Team angewandte Methode wird als elektrokatalytische Umwandlung bezeichnet, was bedeutet, dass die CO2-Umwandlung über einen Katalysator durch Strom angetrieben wird. Durch die Variation der Größe des verwendeten Zinns - von einzelnen Atomen über ultrakleine Cluster bis hin zu größeren Nanokristalliten - konnte das Team die Umwandlung von CO2 in Essigsäure, Ethanol bzw. Ameisensäure steuern. Die Selektivität für jede dieser Chemikalien betrug 90% oder mehr. Unsere Erkenntnis, dass sich der Reaktionsweg durch die Katalysatorgröße ändert, ist beispiellos", so Liu.
Die rechnerischen und experimentellen Untersuchungen ergaben mehrere Erkenntnisse über die Reaktionsmechanismen, die zur Bildung der drei Kohlenwasserstoffe führen. Eine wichtige Erkenntnis war, dass sich der Reaktionsweg vollständig ändert, wenn das bei der Umwandlung verwendete normale Wasser durch deuteriertes Wasser ersetzt wird (Deuterium ist ein Isotop des Wasserstoffs). Dieses Phänomen ist als kinetischer Isotopeneffekt bekannt. Er wurde bei der CO2-Umwandlung bisher noch nie beobachtet.
Diese Forschung profitierte von zwei Einrichtungen des DOE Office of Science in Argonne - der Advanced Photon Source (APS) und dem Center for Nanoscale Materials (CNM). Mit den an der APS verfügbaren harten Röntgenstrahlen konnten wir die chemischen und elektronischen Strukturen der Katalysatoren auf Zinnbasis mit unterschiedlichen Zinnbeladungen erfassen", so Chengjun Sun, ein Physiker der Argonne. Darüber hinaus konnte mit der hohen räumlichen Auflösung, die mit dem Transmissionselektronenmikroskop am CNM möglich ist, die Anordnung der Zinnatome, von einzelnen Atomen bis hin zu kleinen Clustern, bei den verschiedenen Katalysatorbeladungen direkt abgebildet werden.
Unser ultimatives Ziel ist es, lokal erzeugten Strom aus Wind und Sonne zu nutzen, um die gewünschten Chemikalien für den lokalen Verbrauch zu produzieren", so Liu.
Dazu müssten die neu entdeckten Katalysatoren in einen Niedertemperatur-Elektrolyseur integriert werden, der dieCO2-Umwandlung mit Strom aus erneuerbaren Energien durchführt. Niedertemperatur-Elektrolyseure können bei nahezu Umgebungstemperatur und -druck arbeiten. Dies ermöglicht ein schnelles Starten und Stoppen, um das intermittierende Angebot an erneuerbarer Energie zu berücksichtigen. Dies ist eine ideale Technologie für diesen Zweck.
"Wenn wir selektiv nur die benötigten Chemikalien in der Nähe des Standorts herstellen können, können wir dazu beitragen, die Kosten für den Transport und die Lagerung von CO2 zu senken", so Liu. Das wäre wirklich eine Win-Win-Situation für die lokalen Anwender unserer Technologie."
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