Neuer Katalysator verwandelt Kohlendioxid in nachhaltiges Nebenprodukt
Forscher erzeugen Essigsäure aus Kohlenmonoxid, das aus abgeschiedenem Kohlenstoff gewonnen wird
Die Notwendigkeit, CO2 abzuscheiden und es zur dauerhaften Lagerung oder zur Umwandlung in wertvolle Endanwendungen zu transportieren, ist eine nationale Priorität, die kürzlich im Zweiparteien-Infrastrukturgesetz festgelegt wurde, um bis 2050 eine Netto-Null-Treibhausgasemission zu erreichen.
Northwestern-Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Team Essigsäure aus Kohlenmonoxid hergestellt, das aus abgeschiedenem Kohlenstoff gewonnen wurde (Symbolbild).
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Nun haben Forscher der Northwestern University in Zusammenarbeit mit einem internationalen Team Essigsäure aus Kohlenmonoxid hergestellt, das aus abgeschiedenem Kohlenstoff stammt. Diese Innovation, bei der ein neuartiger, im Labor von Professor Ted Sargent entwickelter Katalysator zum Einsatz kommt, könnte das Interesse an der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung neu entfachen.
"Die Kohlenstoffabscheidung ist heute technisch machbar, aber noch nicht wirtschaftlich", so Sargent. "Indem wir die Elektrochemie nutzen, um abgeschiedenen Kohlenstoff in Produkte mit etablierten Märkten umzuwandeln, bieten wir neue Wege zur Verbesserung dieser Wirtschaftlichkeit sowie eine nachhaltigere Quelle für die Industriechemikalien, die wir immer noch benötigen. Die Arbeit wurde am 3. Mai in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Sargent, der korrespondierende Autor der Arbeit, ist Lynn Hopton Davis und Greg Davis Professor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences und Professor für Elektro- und Computertechnik an der McCormick School of Engineering der Northwestern University. Sein Team kann auf eine lange Erfolgsgeschichte bei der Verwendung von Elektrolyseuren zurückblicken - Geräte, in denen Elektrizität eine gewünschte chemische Reaktion vorantreibt - um abgeschiedenen Kohlenstoff in wichtige Industriechemikalien wie Ethylen und Propanol umzuwandeln.
Auch wenn Essigsäure vor allem als Hauptbestandteil von Haushaltsessig bekannt ist, sagt Josh Wicks, der kürzlich an der University of Toronto promoviert hat und einer der vier Co-Autoren der Studie ist, dass diese Verwendung nur einen kleinen Teil ihrer Einsatzmöglichkeiten ausmacht.
"Essigsäure in Essig muss aus biologischen Quellen durch Gärung gewonnen werden, da sie vom Menschen konsumiert wird", so Wicks. "Aber etwa 90 % des Essigsäuremarktes sind Ausgangsstoffe für die Herstellung von Farben, Beschichtungen, Klebstoffen und anderen Produkten. Die Produktion in diesem Umfang erfolgt hauptsächlich aus Methanol, das aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird.
Datenbanken zur Ökobilanzierung zeigten dem Team, dass für jedes Kilogramm Essigsäure, das aus Methanol hergestellt wird, 1,6 kg CO2 freigesetzt werden.
Ihre alternative Methode erfolgt in einem zweistufigen Prozess: Zunächst wird das abgeschiedene gasförmigeCO2 durch einen Elektrolyseur geleitet, wo es mit Wasser und Elektronen zu Kohlenmonoxid (CO) reagiert. Das gasförmige CO wird dann durch einen zweiten Elektrolyseur geleitet, wo ein weiterer Katalysator es in verschiedene Moleküle mit zwei oder mehr Kohlenstoffatomen umwandelt.
"Eine große Herausforderung für uns ist die Selektivität", so Wicks. "Die meisten Katalysatoren, die für diesen zweiten Schritt verwendet werden, ermöglichen mehrere gleichzeitige Reaktionen, was zu einer Mischung aus verschiedenen Zweikohlenstoffprodukten führt, die schwer zu trennen und zu reinigen sein können. Wir haben hier versucht, Bedingungen zu schaffen, die ein Produkt vor allen anderen begünstigen."
Vinayak Dravid, ein weiterer Hauptautor der Arbeit und Abraham Harris Professor of Materials Science and Engineering, ist der Gründungsdirektor des Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization (NUANCE) Center, das dem Team den Zugang zu verschiedenen Möglichkeiten für Messungen von Materialien auf atomarer und elektronischer Ebene ermöglicht.
"Moderne Forschungsprobleme sind komplex und vielschichtig und erfordern vielfältige und dennoch integrierte Fähigkeiten zur Analyse von Materialien bis hinunter auf die atomare Skala", so Dravid. "Kollegen wie Ted stellen uns vor herausfordernde Probleme, die unsere Kreativität anregen, um neue Ideen und innovative Charakterisierungsmethoden zu entwickeln".
Die Analyse des Teams zeigte, dass die Verwendung eines viel geringeren Kupferanteils (etwa 1 %) im Vergleich zu früheren Katalysatoren die Produktion von reiner Essigsäure begünstigt. Außerdem zeigte sich, dass eine Erhöhung des Drucks auf 10 Atmosphären dem Team eine rekordverdächtige Effizienz ermöglichen würde.
In dem Papier berichtet das Team über einen faradischen Wirkungsgrad von 91 %, was bedeutet, dass 91 von 100 in den Elektrolyseur gepumpten Elektronen im gewünschten Produkt - in diesem Fall Essigsäure - landen.
"Das ist die höchste Faradic-Effizienz für ein Multi-Kohlenstoff-Produkt bei einer skalierbaren Stromdichte, die uns bekannt ist", so Wicks. "Katalysatoren, die auf Ethylen abzielen, erreichen in der Regel eine maximale Effizienz von 70 bis 80 %, wir liegen deutlich darüber.
Der neue Katalysator scheint auch relativ stabil zu sein: Während die Faradic-Effizienz mancher Katalysatoren im Laufe der Zeit abnimmt, konnte das Team zeigen, dass sie selbst nach 820 Betriebsstunden auf einem hohen Niveau von 85 % blieb.
Wicks hofft, dass die Elemente, die zum Erfolg des Teams führten - darunter ein neuartiges Zielprodukt, ein leicht erhöhter Reaktionsdruck und ein geringerer Kupferanteil im Katalysator - andere Teams dazu inspirieren, über den Tellerrand hinauszuschauen.
"Einige dieser Ansätze widersprechen der konventionellen Weisheit in diesem Bereich, aber wir haben gezeigt, dass sie wirklich gut funktionieren können", sagte er. "Irgendwann werden wir alle Elemente der chemischen Industrie dekarbonisieren müssen, daher ist es umso besser, je mehr verschiedene Wege wir zu nützlichen Produkten haben, egal ob es sich um Ethanol, Propylen oder Essigsäure handelt."
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