Den Kohlenstoffkreislauf schließen, um den Klimawandel zu stoppen

Defekte in Nanosilika können die Erde vor der globalen Erwärmung retten

20.03.2020 - Indien

Eine übermäßige Menge an Kohlendioxid ist die Hauptursache des Klimawandels. Einer der besten Ansätze ist die Abscheidung und Umwandlung von Kohlendioxid (CO₂) in Treibstoff wie Methan. Andererseits ist die Erzeugung alternativer Energiequellen ein nachhaltiger Weg zur Lösung des Energieproblems, doch die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energien verhindern die Entwicklung dieser Technologien. Daher hat die Umwandlung von CO₂ in Methan unter Verwendung von erneuerbarem Wasserstoff das große Potenzial, eine Lösung für diese beiden Probleme zu finden, nämlich die übermäßigen CO₂-Gehalte und das zeitliche Missverhältnis zwischen der Erzeugung und Nachfrage von erneuerbarer Elektrizität und der Wasserstoffspeicherung.

Die bekanntesten Katalysatoren für die CO₂-Methanierung sind geträgerte Nanopartikel von Metallen. Die meisten von ihnen leiden jedoch unter der Frage der Stabilität sowie der Selektivität gegenüber Methan gegenüber CO. Der beste Weg, das Problem der Katalysatorstabilität zu lösen, besteht darin, aktive Stellen (Metallnanopartikel) durch metallfreie aktive Stellen zu ersetzen, die sowohl katalytisch als auch in einer Luftumgebung bei hohen Temperaturen stabil sind.

In dieser Arbeit haben die Forscher am TIFR das Protokoll für das magnesiothermische Defekt-Engineering entwickelt, um ein neues Katalysatorsystem zu entwerfen, bei dem aktive Stellen aus Metallnanopartikeln durch Defekte als katalytisch aktive Stellen ersetzt wurden.

Dies ist der erste metallfreie, legierungsfreie Katalysator für die CO₂-Konvertierung. Die Defekte in Nanosilika wandeln CO₂ in Methan mit ausgezeichneter Produktivität und Selektivität um. Außerdem waren keine Metallnanopartikel erforderlich, und die Defektstellen fungierten allein als katalytische Stellen für die Kohlendioxidaktivierung und Wasserstoffdissoziation, und ihre kooperative Wirkung wandelte CO₂ in Methan um.

Der Katalysator ist wiederverwertbar und mehr als 200 h stabil mit einer Produktivität von 10000 μmoles g-1 h-1 für Methan. Bemerkenswert ist, dass im Gegensatz zu teuren Metallkatalysatoren die katalytische Aktivität für die Methanproduktion nach jedem Regenerationszyklus deutlich zunahm und nach acht Regenerationszyklen mehr als das Doppelte der Methanproduktionsrate im Vergleich zur anfänglichen Katalysatorleistung erreichte.

Die spektroskopischen Studien ergaben atomistische Einblicke in die verschiedenen Defektstellen (Si-Radikalzentren, O-Vakanz und nicht überbrückende Sauerstofflochzentren) hinsichtlich ihrer Konzentrationen, ihrer Nähe und ihrer Kooperativität. Die In-Situ-Spektroskopiestudie lieferte mechanistische Erkenntnisse auf molekularer Ebene, die mögliche Wege für die CO₂-Umwandlung in Methan und Kohlenmonoxid aufzeigten, was durch eine rechnerische Studie in Zusammenarbeit mit Prof. Ayan Datta von der Indian Association of Cultivation Science (IACS), Kalkutta, weiter bestätigt wurde.

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