Mit elektrochemischer CO2-Reduktion Treibstoffe herstellen
Bildmontage © Gerhard Hofmann für Solarify
Es klinge „fast zu gut, um wahr zu sein“, so die Medienmitteilung der TU Delft: Ming Ma, PhD-Student an der Delft University of Technology in den Niederlanden, habe einen Weg gefunden, „Alkohol aus der Luft zu produzieren“, heißt es da. Er habe herausgefunden, wie man effektiv und präzise den Prozess der sogenannten elektrochemischen Reduktion von CO2 kontrollieren könne, um eine breite Palette von nützlichen Produkten, einschließlich Alkohol zu erzeugen. In der Lage zu sein, CO2 als Ressource auf diese Weise zu nutzen zu können, könne gerade bei der Bewältigung des Klimawandels entscheidend sein.
Carbon Capture and Utilization (CCU)
Zur Minderung der atmosphärischen CO2-Konzentration könnte die Kohlenstoffabscheidung und –nutzung (CCU) eine machbare alternative Strategie zur Kohlenstoffabscheidung und –speicherung (CCS) sein. Die elektrochemische Reduktion von CO2 zu Brennstoffen und Mehrwertchemikalien hat als vielversprechende Lösung großes Interesse erregt. Bei diesem Verfahren wird das eingefangene CO2 als Ressource verwendet und in Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4), Ethylen (C2H4) und sogar flüssige Produkte wie Ameisensäure (HCOOH), Methanol (CH3OH) und Ethanol ( C2H5OH) umgewandelt.
Die Kohlenwasserstoffe mit hoher Energiedichte können direkt und bequem als Kraftstoffe in der aktuellen Energieinfrastruktur genutzt werden. Darüber hinaus ist die CO-Produktion sehr interessant, da das Kohlenmonoxid als Rohstoff im Fischer-Tropsch-Verfahren eingesetzt werden kann, eine gut entwickelte Technologie, die in der Industrie weit verbreitet ist, um Syngas (CO und Wasserstoff H2) in wertvolle Chemikalien umzuwandeln wie Methanol und synthetische Kraftstoffe (wie Dieselkraftstoff). Die folgende Abbildung beschreibt diese drei verschiedenen Prozesse und die Art und Weise, wie die Elektroreduktion von CO2 den Kohlenstoffkreislauf möglicherweise schließen könnte.
Präzise Abstimmung des Prozesses
In seiner Dissertation beschreibt Ming Ma, der in der Gruppe von Dr. Wilson A. Smith arbeitet, die Prozesse, die im Nanomaßstab ablaufen, wenn verschiedene Metalle bei der Elektroreduktion von CO2 verwendet werden. Zum Beispiel führt die Verwendung von Kupfer-Nanodrähten in der Elektroreduktion zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen, während nanoporöses Silber CO produzieren kann. Weiterhin kann, wie Ma entdeckte, das Verfahren sehr genau geregelt werden, indem man die Längen der Nanodrähte und das elektrische Potenzial ändert. Durch die Abstimmung dieser Bedingungen ist er in der Lage, jegliches kohlenstoffbasierte Produkt oder Verbindungen in jedem gewünschten Verhältnis zu produzieren, wodurch die Ressourcen für die drei oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
Die Verwendung von Metalllegierungen führt zu noch interessanteren Ergebnissen. Während Platin allein Wasserstoff produziert und Gold CO erzeugt, erzeugt eine Legierung dieser beiden Metalle unerwartet auch Ameisensäure (HCOOH) in relativ großen Mengen. Ameisensäure hat möglicherweise einen vielversprechenden Einsatz in Brennstoffzellen.
Nächste Schritte
Nun sind die nächsten Schritte für das Team im Smith Lab For Solar Energy Conversion And Storage an der TU Delft, (Ma ist der erste Doktorand, der in Wilson Smiths Labor abschloss) nach Möglichkeiten zusuchen, um die Selektivität der einzelnen Produkte zu verbessern und zu beginnen, Wege zu entwickeln, um diesen Prozess zu skalieren.
Smith erhielt gerade einen ERC Starting Grant, um genau das zu tun: „Verbessern unseres Verständnises der komplizierten Reaktionsmechanismen, um eine bessere Kontrolle des CO2-elektrokatalytischen Prozesses zu erhalten“. Weitere Arbeiten im Labor fokussieren auf solar getriebene Wasserspaltung: Einfache Lösung macht die Wasserstoffproduktion durch solare Wasseraufteilung effizienter und damit preiswerter – und eine kostengünstige, effiziente und stabile Photoelektrode könnte die Wasserspaltung mit Solarenergie verbessern.
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