Neuer Weg zu klimaneutralen Kraftstoffen aus Kohlendioxid entdeckt

18.09.2019 - USA

Wenn Sie die Idee, mit batteriebetriebenen Verkehrsflugzeugen zu fliegen, nervös macht, können Sie sich ein wenig entspannen. Forscher haben einen praktischen Ausgangspunkt für die Umwandlung von Kohlendioxid in nachhaltige flüssige Kraftstoffe gefunden, einschließlich Kraftstoffe für schwerere Verkehrsmittel, die sich als sehr schwierig zu elektrifizieren erweisen können, wie Flugzeuge, Schiffe und Güterzüge.

Die klimaneutrale Wiederverwendung von CO₂ ist als Alternative zur Beseitigung des Treibhausgases unter Tage entstanden. In einer neuen Studie, die in Nature Energy veröffentlicht wurde, zeigen Forscher der Stanford University und der Technical University of Denmark (DTU), wie Strom und ein erdreichhaltiger Katalysator CO₂ besser in energiereichen Kohlenmonoxid (CO) umwandeln können als herkömmliche Methoden. Der Katalysator - Ceroxid - ist wesentlich widerstandsfähiger gegen Zersetzung. Die Entfernung von Sauerstoff aus CO₂ zur Herstellung von CO-Gas ist der erste Schritt, um CO₂ in nahezu jeden flüssigen Kraftstoff und andere Produkte wie synthetisches Gas und Kunststoffe zu verwandeln. Die Zugabe von Wasserstoff zu CO kann Kraftstoffe wie synthetischen Diesel und das Äquivalent von Düsentreibstoff erzeugen. Das Team plant, erneuerbare Energien zur Herstellung des CO und für nachfolgende Umwandlungen zu nutzen, was zu klimaneutralen Produkten führen würde.

"Wir haben gezeigt, dass wir mit Strom CO₂ mit 100-prozentiger Selektivität in CO reduzieren können, ohne das unerwünschte Nebenprodukt von festem Kohlenstoff zu produzieren", sagte William Chueh, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Stanford University, einer von drei Hauptautoren der Arbeit.

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Chueh, der sich der Forschung der DTU auf diesem Gebiet bewusst ist, lud Christopher Graves, Associate Professor im Energy Conversion & Storage Department der DTU, und Theis Skafte, damals Doktorand der DTU, ein, nach Stanford zu kommen und gemeinsam an der Technologie zu arbeiten.

"Wir arbeiten seit Jahren an der Hochtemperatur-CO₂-Elektrolyse, aber die Zusammenarbeit mit Stanford war der Schlüssel zu diesem Durchbruch", sagt Skafte, Hauptautor der Studie, der heute Postdoc an der DTU ist. "Wir haben etwas erreicht, was wir nicht getrennt haben konnten - sowohl grundlegendes Verständnis als auch praktische Demonstration eines robusteren Materials."

Hindernisse für die Umstellung

Ein Vorteil nachhaltiger Flüssigkraftstoffe gegenüber der Elektrifizierung des Verkehrs besteht darin, dass sie die bestehende Benzin- und Dieselinfrastruktur wie Motoren, Pipelines und Tankstellen nutzen können. Darüber hinaus wären die Barrieren für elektrifizierende Flugzeuge und Schiffe - Fernverkehr und das hohe Gewicht der Batterien - für energieintensive, klimaneutrale Kraftstoffe kein Problem.

Obwohl Pflanzen CO₂ auf natürliche Weise zu kohlenstoffreichem Zucker reduzieren, ist ein künstlicher elektrochemischer Weg zu CO noch nicht weit verbreitet. Unter den Problemen: Geräte verbrauchen zu viel Strom, wandeln einen geringen Prozentsatz der CO₂-Moleküle um oder produzieren reinen Kohlenstoff, der das Gerät zerstört. Die Forscher der neuen Studie untersuchten zunächst, wie verschiedene Geräte bei der CO₂-Elektrolyse erfolgreich waren und versagten.

Mit den gewonnenen Erkenntnissen bauten die Forscher zwei Zellen für CO₂-Konversionstests: eine mit Ceroxid und eine mit herkömmlichen Katalysatoren auf Nickelbasis. Die Ceroxid-Elektrode blieb stabil, während Kohlenstoffablagerungen die Nickelelektrode beschädigten und die Lebensdauer des Katalysators deutlich verkürzte.

"Diese bemerkenswerte Fähigkeit von Ceria hat große Auswirkungen auf die praktische Lebensdauer von CO₂-Elektrolysegeräten", sagte DTU's Graves, ein leitender Autor der Studie und Gastwissenschaftler in Stanford zu dieser Zeit. "Der Austausch der aktuellen Nickelelektrode durch unsere neue Ceroxid-Elektrode in der nächsten Generation des Elektrolyseurs würde die Lebensdauer der Geräte verbessern."

Weg zur Kommerzialisierung

Die Beseitigung des frühen Zelltods könnte die Kosten für die kommerzielle CO-Produktion deutlich senken. Die Unterdrückung der Kohlenstoffbildung ermöglicht es dem neuartigen Gerät auch, mehr CO₂ in CO umzuwandeln, was in den heutigen Zellen auf deutlich unter 50 Prozent CO-Produktkonzentration begrenzt ist. Dies könnte auch die Produktionskosten senken.

"Der Kohlenstoffunterdrückungsmechanismus auf Ceroxid basiert darauf, den Kohlenstoff in stabiler oxidierter Form einzufangen. Wir konnten dieses Verhalten mit Berechnungsmodellen zur CO₂-Reduktion bei erhöhter Temperatur erklären, was dann mit Röntgen-Photoelektronenspektroskopie der Zelle im Betrieb bestätigt wurde", sagt Michal Bajdich, Senior-Autor der Arbeit und assoziierter Mitarbeiter am SUNCAT Center for Interface Science & Catalysis, einer Partnerschaft zwischen dem SLAC National Accelerator Laboratory und der Stanford's School of Engineering.

Die hohen Kosten für die CO₂-Abtrennung waren ein Hindernis für die groß angelegte Sequestrierung unter Tage, und diese hohen Kosten könnten ein Hindernis für die Nutzung von CO₂ zur Herstellung nachhaltigerer Kraftstoffe und Chemikalien darstellen. Der Marktwert dieser Produkte in Kombination mit Zahlungen zur Vermeidung der CO₂-Emissionen könnte jedoch dazu beitragen, dass Technologien, die CO₂ nutzen, die Kostenhürde schneller überwinden.

Die Forscher hoffen, dass ihre ersten Arbeiten zur Aufklärung der Mechanismen in CO₂-Elektrolysegeräten durch Spektroskopie und Modellierung anderen helfen werden, die Oberflächeneigenschaften von Ceroxid und anderen Oxiden zu verbessern.

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