Neuer Katalysator zerlegt CO2 schneller, billiger und effizienter

Wissenschaftler der Stanford University entwickelten neues Verfahren

Stellen Sie sich vor, Sie entziehen Autoabgasen und anderen Quellen Kohlendioxid und verwandeln dieses Haupttreibhausgas in Kraftstoffe wie Erdgas oder Propangas: Ein Nachhaltigkeitstraum würde wahr, so Medienmitteilungen aus Connecticut und Kalifornien: Forscher der Stanford University haben einen neuen Katalysator entwickelt, der CO2 leichter, billiger und effektiver als bisher in wertvolle Produkte wie Treibstoffe umwandelt. Mehrere jüngere Studien haben einige Erfolge bei dieser Umwandlung gezeigt, aber der neuartige Ansatz der Stanford-Ingenieure liefert viermal mehr Äthan, Propan und Butan als herkömmliche Methoden, die ähnliche Prozesse verwenden. Obwohl es sich nicht um ein Klima-Allheilmittel handelt, könnte der Fortschritt die kurzfristigen Auswirkungen auf die globale Erwärmung deutlich reduzieren.

Aisulu Aitbekova und Matteo Cargnello vor dem Reaktor, in dem Aitbekova die meisten der Experimente durchgeführt hat – Foto © Mark Golden/Stanford

“Man kann sich einen klimaneutralen Kreislauf vorstellen, der Kraftstoff aus Kohlendioxid erzeugt und dann verbrennt und neues Kohlendioxid erzeugt, das dann wieder in Kraftstoff umgewandelt wird”, sagt Matteo Cargnello, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen an der Stanford University of Stanford, der die Forschung leitete, deren Ergebnisse in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht wurde.

Obwohl es sich bei dem Verfahren immer noch um einen laborbasierten Prototypen handelt, erwarten die Forscher, dass er ausreichend skaliert werden kann, um nutzbare Mengen an Kraftstoff zu produzieren. Bis der Durchschnittsverbraucher jedoch in der Lage sein wird, Produkte auf der Grundlage solcher Technologien zu kaufen, bleibt noch viel Arbeit. Nächste Schritte sind der Versuch, schädliche Nebenprodukte aus diesen Reaktionen, wie beispielsweise den giftigen Schadstoff Kohlenmonoxid, zu reduzieren. Die Gruppe entwickelt auch Wege, um andere nützliche Produkte herzustellen, nicht nur Kraftstoffe. Ein solches Produkt sind Olefine, die in einer Reihe von industriellen Anwendungen eingesetzt werden können und die Hauptbestandteile von Kunststoffen sind.

Zwei Schritte in einem

Bisherige Bemühungen zur Umwandlung von CO2 in Kraftstoff erfolgten in zwei Schritten. Der erste Schritt reduziert CO2 zu Kohlenmonoxid, dann kombiniert der zweite das CO mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffkraftstoffen. Der einfachste dieser Kraftstoffe ist Methan, aber andere Kraftstoffe, die produziert werden können, sind Äthan, Propan und Butan. Äthan ist ein enger Verwandter von Erdgas und kann industriell zur Herstellung von Ethylen, einem Vorläufer von Kunststoffen, verwendet werden. Propan wird häufig zum Heizen von Häusern und zum Heizen von Gasgrills verwendet. Butan ist ein gängiger Brennstoff in Feuerzeugen und Lageröfen.

Cargnello dachte, dass es viel effizienter wäre, beide Schritte in einer einzigen Reaktion zu realisieren, und machte sich daran, einen neuen Katalysator zu entwickeln, der gleichzeitig ein Sauerstoffmolekül von CO2 entfernen und mit Wasserstoff kombinieren könnte. Dem Team gelang es, Ruthenium- und Eisenoxid-Nanopartikel in einem Katalysator zu kombinieren. “Dieses Rutheniumkorn sitzt im Kern und ist in einer äußeren Hülle aus Eisen eingeschlossen”, sagt Aisulu Aitbekova, Doktorandin in Cargnellos Labor und Hauptautorin der Arbeit. “Diese Struktur aktiviert die Kohlenwasserstoffbildung aus CO2. Es verbessert den Prozess von Anfang bis Ende.”

Ursprünglich wollte das Team diese Kern-Schalen-Struktur gar nicht erstellen, sondern entdeckte sie in Zusammenarbeit mit Simon Bare, einem angesehenen Wissenschaftler und anderen Mitarbeitern des SLAC National Accelerator Laboratory. Die ausgeklügelten Röntgencharakterisierungstechnologien von SLAC halfen den Forschern, die Struktur ihres neuen Katalysators zu visualisieren und zu untersuchen. Ohne diese Zusammenarbeit hätte Cargnello nicht die optimale Struktur gefunden. “Damals begannen wir, dieses Material direkt in einer Kern-Schale-Konfiguration zu entwickeln. Dann haben wir gezeigt, dass sich die Kohlenwasserstofferträge, sobald wir das getan haben, enorm verbessern”, sagte Cargnello. “Es geht um die Struktur, die den Reaktionen hilft.” Er glaubt, dass die beiden Katalysatoren in der Art und Weise von Wechselmannschaften die Synthese verbessern. Er vermutet, dass das Ruthenium Wasserstoff chemisch bereit macht, sich mit dem Kohlenstoff aus CO2 zu verbinden. Der Wasserstoff gelangt dann auf die Eisenhülle, wodurch das Kohlendioxid reaktiver wird.

Als die Gruppe ihren Katalysator im Labor testete, fand sie heraus, dass die Ausbeute für Kraftstoffe wie Äthan, Propan und Butan viel höher war als bei ihrem vorherigen Katalysator. Die Gruppe steht jedoch noch vor einigen Herausforderungen. Sie möchten den Einsatz von Edelmetallen wie Ruthenium reduzieren und den Katalysator so optimieren, dass er selektiv nur bestimmte Kraftstoffe herstellen kann.

Im Wortlaut (Medienmitteilung der University of Connecticut)

Ein neuer Katalysator zerlegt Kohlendioxid schneller, billiger und effizienter als die Standardmethode in nützliche Chemikalien, berichtet ein Forscherteam in der PNAS-Ausgabe dieser Woche. Die Entdeckung könnte es ermöglichen, Kohlendioxid wirtschaftlich in Kraftstoffe umzuwandeln:

“Kohlendioxid ist ein stabiles, reichlich vorhandenes Gas. Tatsächlich ist es ein wenig zu reichlich vorhanden, und das zusätzliche Kohlendioxid in der Atmosphäre verändert das Klima des Planeten. In diesem Wissen arbeiten viele Chemiker an effizienten Wegen, um Kohlendioxid in andere nützliche Produkte umzuwandeln. Aber die Stabilität von Kohlendioxid macht es schwierig. Es ist schwer, das Molekül, das von selbst glücklich ist, dazu zu bringen, mit etwas anderem zu reagieren. Die beste bestehende Technik, um Kohlendioxid elektrochemisch in Stücke zu zerlegen, die chemisch reagieren, verwendet einen Katalysator aus Platin. Aber Platin ist ein seltenes, teures Metall. Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung von Yongtao Meng, einem ehemaligen UConn-Absolventen im Labor des Institute for Materials Science-Directors Steve Suib, und jetzt Forscher an der Stanford University, einen besseren Weg gefunden. Sie schufen eine elektrochemische Zelle, die mit einem porösen, schaumigen Katalysator aus Nickel und Eisen gefüllt war. Beide Metalle sind billig und reichlich vorhanden. Wenn Kohlendioxidgas in die elektrochemische Zelle eintritt und eine Spannung angelegt wird, hilft der Katalysator dem Kohlendioxid (ein Kohlenstoffatom mit zwei Sauerstoffs), Sauerstoff abzubauen und Kohlenmonoxid (ein Kohlenstoffatom mit einem Sauerstoff) zu bilden. Das Kohlenmonoxid ist sehr reaktiv und ein nützlicher Vorläufer für die Herstellung vieler Arten von Chemikalien, einschließlich Kunststoffe und Kraftstoffe wie Benzin.

Der neue Nickel-Eisen-Katalysator funktioniert nicht nur gut, er ist auch effizienter als der teure Platinprozess, den er ersetzen könnte. Die elektrochemische Zelle mit dem Nickel-Eisen-Katalysator erreicht einen Wirkungsgrad von fast 100%. “Es ist fast unbekannt. Typischerweise erhalten Sie in einem guten System einen Wirkungsgrad von 90 bis 95%, aber es ist möglicherweise nicht stabil, funktioniert nicht mit der gleichen Niederspannung oder ist nicht billig”, sagt Suib. Dieser Prozess hat all das. Suibs Labor hat mit Hilfe der Rastertransmissionselektronenmikroskopie Querschnitte des neuen Nickel-Eisen-Katalysators kartiert und seine innere Struktur sichtbar gemacht. Technisch gesehen handelt es sich um ein Nickeleisenhydroxidcarbonat mit einer porösen Struktur, die es dem Kohlendioxidgas ermöglicht, durch es zu fließen. Suibs Mikroskopiearbeit zeigte, dass der Katalysator intakt blieb und sich nicht durch den Gebrauch verschlechterte.

Der nächste Schritt in diesem Prozess besteht darin, zu prüfen, ob er skalierbar ist, in großen Mengen hergestellt und in industriellen Situationen getestet werden kann, wie beispielsweise in Kraftwerken, die große Mengen an Kohlendioxid als Abfallprodukt produzieren.

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