Effektiver Weg zur Umwandlung von CO2 in Ethylen entdeckt
Vielversprechender Weg zur Umwandlung der Ethylenproduktion in eine umweltfreundlichere Industrie
Ein Forschungsteam von Caltech und der UCLA Samueli School of Engineering hat einen vielversprechenden Weg zur effizienten Umwandlung von Kohlendioxid in Ethylen aufgezeigt - eine wichtige Chemikalie, die weltweit zur Herstellung von Kunststoffen, Lösungsmitteln, Kosmetika und anderen wichtigen Produkten verwendet wird.
Veranschaulichung des Elektrokatalysesystems, das den glatten Nanodraht synthetisiert und dann durch Anlegen einer Spannung aktiviert hat, um die raue, gestufte Oberfläche zu erhalten, die hochselektiv für die CO2-Reduktion zu Ethylen ist.
Yu Huang and William A. Goddard III
Die Wissenschaftler entwickelten nanoskalige Kupferdrähte mit speziell geformten Oberflächen, um eine chemische Reaktion zu katalysieren, die Treibhausgasemissionen reduziert und gleichzeitig Ethylen - eine wertvolle Chemikalie - erzeugt. Rechnerische Untersuchungen der Reaktion zeigen, dass der geformte Katalysator die Produktion von Ethylen gegenüber Wasserstoff oder Methan begünstigt.
"Wir stehen an der Schwelle zur Erschöpfung fossiler Brennstoffe, verbunden mit den Herausforderungen des globalen Klimawandels", sagte Yu Huang, Mitautor der Studie und Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der UCLA. "Die Entwicklung von Materialien, die Treibhausgase effizient in wertschöpfende Brennstoffe und chemische Rohstoffe umwandeln können, ist ein entscheidender Schritt zur Eindämmung der globalen Erwärmung und gleichzeitig zur Abkehr von der Gewinnung zunehmend begrenzter fossiler Brennstoffe. Dieses integrierte Experiment und die theoretische Analyse stellen einen nachhaltigen Weg zum Aufwärtsrecycling und zur Nutzung von Kohlendioxid dar.
Derzeit hat Ethylen eine weltweite Jahresproduktion von 158 Millionen Tonnen. Ein Großteil davon wird zu Polyethylen verarbeitet, das in Kunststoffverpackungen verwendet wird. Ethylen wird aus Kohlenwasserstoffen, wie zum Beispiel Erdgas, verarbeitet.
"Die Idee, Kupfer zur Katalyse dieser Reaktion zu verwenden, gibt es schon seit langem, aber der Schlüssel liegt darin, die Geschwindigkeit so zu beschleunigen, dass sie schnell genug für die industrielle Produktion ist", sagte William A. Goddard III, der Mitautor der Studie und Caltech's Charles and Mary Ferkel Professor für Chemie, Materialwissenschaften und angewandte Physik. "Diese Studie zeigt einen soliden Weg in diese Richtung auf, mit dem Potenzial, die Ethylenproduktion in eine umweltfreundlichere Industrie umzuwandeln, die CO2 verwendet, das andernfalls in die Atmosphäre gelangen würde", so William A. Goddard III.
Die Verwendung von Kupfer als Startschuss für die Reduktion von Kohlendioxid (CO2) in der Ethylenreaktion (C2H4) hat zwei Schläge dagegen erlitten. Erstens entstanden bei der ersten chemischen Reaktion auch Wasserstoff und Methan - beides in der industriellen Produktion unerwünschte Stoffe. Zweitens dauerten frühere Versuche, die zur Ethylenproduktion führten, nicht lange, wobei die Umwandlungseffizienz mit fortschreitendem Betrieb des Systems abnahm.
Um diese beiden Hürden zu überwinden, konzentrierten sich die Forscher auf das Design der Kupfernanodrähte mit hochaktiven "Stufen" - ähnlich einer Treppe, die im atomaren Maßstab angeordnet ist. Ein faszinierendes Ergebnis dieser Gemeinschaftsstudie ist, dass dieses Stufenmuster über die Oberflächen der Nanodrähte unter den Reaktionsbedingungen stabil blieb, entgegen der allgemeinen Annahme, dass diese hochenergetischen Eigenschaften sich glätten würden. Dies ist der Schlüssel zur Haltbarkeit und Selektivität des Systems bei der Herstellung von Ethylen anstelle anderer Endprodukte.
Das Team zeigte eine Kohlendioxid-Ethylen-Umwandlungsrate von mehr als 70%, viel effizienter als frühere Entwürfe, die unter den gleichen Bedingungen mindestens 10% weniger ergaben. Das neue System lief 200 Stunden lang bei nur geringer Veränderung der Umwandlungseffizienz, ein großer Fortschritt für Katalysatoren auf Kupferbasis. Darüber hinaus veranschaulichte das umfassende Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehung eine neue Perspektive für die Entwicklung eines hochaktiven und dauerhaften CO2-Reduktionskatalysators in Aktion.
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