CO2-Recycling als Treibstoff für eine kohlenstoffneutrale Zukunft
Umwandlung von abgeschiedenem CO2 in Kraftstoffe und andere wertvolle Kohlenwasserstoffe
An der KAUST wurden multifunktionale Katalysatoren entwickelt, die abgeschiedenes Kohlendioxid (CO2) in Kraftstoffe und andere wertvolle Petrochemikalien umwandeln und eine nachhaltige, umweltfreundlichere Wirtschaft unabhängig von herkömmlichen fossilen Brennstoffen ermöglichen sollen. Die Katalysatoren könnten dazu beitragen, die ständig zunehmende Freisetzung von CO2 umzukehren, indem sie neue Emissionen verhindern, ohne eine radikale Überholung der bestehenden Infrastruktur zu erfordern, sagt Jorge Gascon, der die Forschung leitete.
Wissenschaftler der KAUST haben multifunktionale Katalysatoren entwickelt, die zur Kreislaufwirtschaft beitragen können, indem sie abgeschiedenes Kohlendioxid in Kraftstoff umwandeln.
© 2021 KAUST; Sandra Ramirez Cherbuy
CO2 trägt wesentlich zur globalen Erwärmung bei und kann auch als Rohstoff für nützliche Kohlenwasserstoffe dienen. Seine hohe chemische Stabilität macht es jedoch recht schwierig, es in etwas Nützlicheres umzuwandeln.
Es gibt mehrere Strategien zur Umwandlung von CO2 in verschiedene Kohlenwasserstoffe mit herkömmlichen heterogenen Katalysatoren. Diese Katalysatoren sind jedoch in ihrer Fähigkeit, die Produktverteilung je nach Zielanwendung einzustellen, stark eingeschränkt, erklärt der Doktorand Abhay Dokania.
Gascons Team hat einen Ansatz entwickelt, bei dem mehrere Katalysatoren in einer konzertierten Weise zusammenwirken. Die Katalysatoren kombinieren einen Katalysator auf Metallbasis mit sauren Zeolithen - gut geordnete mikroporöse katalytische Materialien -, um CO2 direkt in mehrere Kohlenwasserstoffe, wie leichte Olefine, Aromaten und Paraffine, umzuwandeln.
Eine Mischung aus einem Methanol produzierenden Indium-Kobalt-Katalysator mit einem zinkmodifizierten Zeolith, der Methanol-Kohlenwasserstoff-Reaktionen katalysiert, ergab Isoparaffine in Benzinqualität, wie Isobutan und Isooctan, mit einer Rekordselektivität von 85 Prozent. Diese Kohlenwasserstoffe mit hoher Oktanzahl sind wegen ihrer Klopffestigkeit und Kraftstoffeffizienz begehrt, wurden aber bisher als Zielprodukte ignoriert. Die hohe Selektivität des Katalysators steht im Einklang mit der Porenstruktur des Zeoliths und seiner Neigung, verzweigte Kohlenwasserstoffe zu produzieren.
"Wir haben dieses Projekt nicht bei Null begonnen", sagt Forschungsingenieur Adrian Ramirez Galilea. "Dennoch waren wir sehr positiv überrascht, dass wir eine so hohe Selektivität in der Isoparaffinfraktion nachweisen konnten. Es liegt noch viel Arbeit vor uns, aber wir glauben, dass wir auf dem richtigen Weg sind."
"Durch umfassende spektroskopische Detektivarbeit hat das Team ungewöhnliche Zinkcluster in den Zeolithen aufgedeckt, die dazu beitragen können, die genaue Rolle der einzelnen Katalysatorkomponenten während der Reaktion zu bestimmen und so die Katalysatoren zu optimieren", sagt Dokania.
Propan ist ein wichtiger Rohstoff mit einem wachsenden Marktanteil, aber seine Herstellung aus CO2 wurde bisher übersehen. Gemeinsam mit einem Team führender europäischer Universitäten synthetisierten die KAUST-Forscher Propan unter Verwendung eines Katalysators auf Palladium-Zink-Basis, der Methanol bildet, und eines Zeoliths mit hoher Selektivität für Dreikohlenstoffverbindungen.
Das katalytische System wies eine Selektivität von über 50 Prozent für Propan auf, während die CO2-Konvertierung bei fast 40 Prozent und die CO-Selektivität bei nur 25 Prozent lag. "Wir führen diese Ergebnisse auf den engen Kontakt zwischen den Katalysatorkomponenten zurück", sagt Ramirez. Dadurch verschiebt sich das gesamte CO2/Methanol/CO-Gleichgewicht so, dass die CO2-Umwandlung maximiert und die CO-Bildung minimiert wird. Durch die Palladiumkomponente wurde auch die Paraffinselektivität auf 99,9 Prozent erhöht.
Es wird erwartet, dass multifunktionale Katalysatoren die Kontrolle über die Palette der Kohlenwasserstoffprodukte verbessern und Petrochemikalien erzeugen, die normalerweise nicht zugänglich sind. Weitere Leistungsverbesserungen hängen jedoch davon ab, dass man die Chemie, die im Spiel ist, besser versteht, insbesondere die Rolle des Zeoliths im gesamten Reaktionsmechanismus. Die Forscher kombinierten einen Hydrierungskatalysator auf Eisenbasis mit acht verschiedenen Zeolithen und identifizierten die in den Zeolithen eingeschlossenen organischen Verbindungen, um die Reaktivität der Zeolithe zu erhellen.
Trotz eines komplexen Reaktionsmechanismus ordnete das Team alle Zeolithe hinsichtlich ihrer Selektivität in nur vier verschiedene Gruppen ein: zwei Gruppen, die leichte Olefine und lange olefinische Kohlenwasserstoffe bilden, und zwei Gruppen, die Paraffine und aromatische Verbindungen produzieren. "Daher könnte es so einfach sein, ein bestimmtes Produkt aus CO2 zu gewinnen, indem man den passenden Zeolith im multifunktionalen System auswählt", sagt Ramirez.
Die Forscher optimieren nun ihre multifunktionalen Katalysatoren, um einer zirkulären Kohlenstoffwirtschaft näher zu kommen, einer Initiative der KAUST, die darauf abzielt, Kohlenstoffemissionen zu reduzieren, wiederzuverwenden, zu recyceln und zu entfernen.
"Wir haben Kohlenwasserstoffe hergestellt, die in den Bereich der Benzinkraftstoffe fallen, aber eine umfangreiche zusätzliche Verarbeitung erfordern, bevor sie nutzbar werden. Unser nächster Schritt besteht also darin, das Gelernte anzuwenden, um direkt Drop-in-Kraftstoffe aus CO2 herzustellen, die ohne zusätzliche Verarbeitung verwendet werden können", sagt Dokania.
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