Wissenschaftler intensivieren Elektrolyse, verwerten Kohlendioxid effizienter mit Magneten
"Unser ultimatives Ziel ist es, Kohlendioxid wieder in kohlenstoffbasierte Chemikalien umzuwandeln"
Seit Jahrzehnten arbeiten Forscher daran, die überschüssigen atmosphärischen Kohlendioxid-Emissionen (CO2) zu verringern. Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, atmosphärischesCO2 abzufangen und es dann durchCO2-Elektrolyse in wertschöpfende Chemikalien und Zwischenprodukte wie Ethanol, Ethylen und andere nützliche Chemikalien umzuwandeln. Während erhebliche Forschungsanstrengungen unternommen wurden, um die Rate und Selektivität derCO2-Elektrolyse zu verbessern, wurde die Reduzierung des Energieverbrauchs dieses Hochleistungsprozesses bisher nur unzureichend erforscht.
Chemie- und Biomolekulartechnik-Diplomstudent Saket Bhargava hält eine Durchfluss-Elektrolysezelle.
University of Illinois/Claire Benjamin
In ACS Energy Letters berichten Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign über eine neue Möglichkeit, den Magnetismus zu nutzen, um den Energiebedarf für dieCO2-Elektrolyse in einem Durchflusselektrolyseur um bis zu 60 % zu reduzieren.
In einem typischenCO2-Durchflusselektrolyseur wird Strom zugeführt, um die Reaktionen an der Kathode (wo Kohlendioxid zu nützlichen Nebenprodukten reduziert wird) und an der Anode (wo Wasser oxidiert wird, wobei Sauerstoff entsteht) anzutreiben.
Die meisten Studien haben sich darauf konzentriert, die Reduktionsreaktion an der Kathode effizienter zu machen und höhere Raten zu erzielen. Dieser Prozess benötigt jedoch nur wenig Energie im Vergleich zur Oxidationsreaktion an der Anode - die oft mehr als 80 % der für dieCO2-Elektrolyse benötigten Energie ausmacht und daher den größten Raum für Verbesserungen bietet.
"Die Antwort lag auf der Hand - der Trick ist natürlich, den Energieverbrauch an der Anode zu reduzieren", sagt Erstautor Saket S. Bhargava, Doktorand in Chemie- und Biomolekulartechnik in Illinois. "Wir beschlossen, dass, wenn die Sauerstoffentwicklung das Problem ist, warum nicht ein Magnetfeld an der sauerstoffentwickelnden Elektrode verwenden und sehen, was mit dem gesamten System passiert."
Sie verwendeten ein Magnetfeld an der Anode, um Energieeinsparungen von 7 % bis 64 % zu erzielen, indem sie den Massentransport zur/von der Elektrode verbesserten. Außerdem tauschten sie den traditionellen Iridium-Katalysator - ein Edelmetall - mit einem Nickel-Eisen-Katalysator aus, der aus reichlich vorhandenen Elementen besteht.
"Unser ultimatives Ziel ist es, Kohlendioxid wieder in kohlenstoffbasierte Chemikalien umzuwandeln", sagt Hauptautor Paul Kenis, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik und Abteilungsleiter in Illinois. "Mit dieser Studie haben wir gezeigt, wie wir den erheblichen Energiebedarf für dieCO2-Elektrolyse weiter reduzieren können, was hoffentlich dazu führt, dass dieser Prozess von der Industrie besser angenommen werden kann."
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