Forscher decken schwer fassbaren Flaschenhals auf, der die weltweiten Anstrengungen zur Umwandlung von Kohlendioxidabfällen in verwertbare Produkte behindert
Stellen Sie sich das als Recycling im Nanomaßstab vor: ein verlockendes elektrochemisches Verfahren, das Kohlenstoff auffangen kann, bevor er zur Luftverschmutzung wird, und ihn in die Bestandteile von Alltagsprodukten umwandelt.
Das Bestreben, Kohlendioxid aus Industrieabfällen abzuscheiden und daraus Kraftstoffe und Kunststoffe herzustellen, gewinnt an Dynamik, nachdem ein Forscherteam der McMaster University in Zusammenarbeit mit Experten für Computerchemie an der Dänischen Technischen Universität Kopenhagen herausgefunden hat, wie der Prozess genau funktioniert und wo er ins Stocken gerät.
Die Forscher wollten herausfinden, warum synthetische Materialien, die nachweislich Kohlendioxid katalysieren und umwandeln können, zu schnell zerfallen, als dass der Prozess auf industrieller Ebene praktikabel wäre.
Mit Hilfe der extrem leistungsstarken Vergrößerungsgeräte des kanadischen Zentrums für Elektronenmikroskopie (CCEM), das sich auf dem McMaster-Campus befindet, konnten die Forscher die chemische Reaktion im Nanomaßstab - Milliardstel Meter - einfangen und so sowohl den Umwandlungsprozess untersuchen als auch verstehen, wie der Katalysator unter Betriebsbedingungen zerfällt.
Der Hauptautor Ahmed Abdellah verbrachte Jahre mit der Entwicklung der Techniken, die die Beobachtung des Prozesses mit Hilfe eines elektrochemischen Reaktors ermöglichten, der klein genug war, um unter den Elektronenmikroskopen des Zentrums zu arbeiten.
"Für uns ist es aufregend, dass zum ersten Mal jemand in der Lage war, sowohl die Formen dieser Strukturen als auch ihre Kristallstrukturen zu betrachten, um zu sehen, wie sie sich auf der Nanoskala entwickeln", sagt Abdellah, ein ehemaliger Doktorand im Labor für Chemietechnik von Drew Higgins und jetzt Postdoktorand am CCEM.
Higgins, einer der korrespondierenden Autoren der in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichten Arbeit, hofft, dass die neuen Informationen die weltweiten Bemühungen zur Verringerung der Kohlenstoffverschmutzung erleichtern werden, indem Kohlendioxid aus Abfallströmen abgezogen und stattdessen für die Herstellung nützlicher Produkte recycelt wird, die sonst aus fossilen Brennstoffen hergestellt würden.
"Wir haben festgestellt, dass sich Katalysatoren, die Kohlendioxid in Kraftstoffe und Chemikalien umwandeln können, unter Betriebsbedingungen recht schnell umstrukturieren. Ihre Struktur und ihre Eigenschaften ändern sich vor unseren Augen", sagt Higgins. "Davon hängt ab, wie effizient sie bei der Umwandlung von Kohlendioxid sind und wie lange sie halten. Die Katalysatoren werden schließlich abgebaut und stellen ihre Funktion ein, und wir wollen wissen, warum sie das tun und wie sie das tun, damit wir Strategien entwickeln können, um ihre Betriebsdauer zu verbessern.
Abdellah, Higgins und ihre Kollegen hoffen, dass sie und andere Forscher auf der ganzen Welt die in der neuen Studie beschriebenen Forschungsergebnisse nutzen können, um die Lebensdauer der reaktiven Materialien zu verlängern und den Prozess effizienter zu katalysieren, so dass der im Labor entwickelte Prozess für die kommerzielle Nutzung aufgestockt werden kann.
Industrien wie die Zementherstellung, Brauereien und Destillerien sowie chemische Raffinerien produzieren große Mengen an leicht rückgewinnbarem Kohlendioxid, erklärt Higgins, was sie zu wahrscheinlichen ersten Zielen für die Einführung der Technologie macht, sobald sie so weit verbessert ist, dass sie kommerziell genutzt werden kann.
Andere, weniger konzentrierte Formen vonCO2 in Industrieabfällen kämen als nächstes.
Auch wenn es heute noch sehr unwahrscheinlich ist, hält Higgins es für möglich, dass dieselbe Technologie effizient und stabil genug wird, um Kohlendioxid aus der Umgebungsluft als "Rohstoff" für Kraftstoffe und nützliche Chemikalien zu gewinnen.
"Wir sind noch weit davon entfernt, aber in den letzten fünf Jahren gab es in diesem Bereich der Forschung und Entwicklung sehr schnelle Fortschritte", sagt Higgins. "Vor zehn Jahren hat man noch nicht über diese Art der Umwandlung nachgedacht, aber jetzt sehen wir erste vielversprechende Ansätze. Allerdings sind Effizienz und Haltbarkeit noch nicht hoch genug. Sobald diese Engpässe beseitigt sind, kann diese Idee wirklich durchstarten.
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Originalveröffentlichung
Ahmed M. Abdellah, Fatma Ismail, Oliver W. Siig, Jie Yang, Carmen M. Andrei, Liza-Anastasia DiCecco, Amirhossein Rakhsha, Kholoud E. Salem, Kathryn Grandfield, Nabil Bassim, Robert Black, Georg Kastlunger, Leyla Soleymani, Drew Higgins; "Impact of palladium/palladium hydride conversion on electrochemical CO2 reduction via in-situ transmission electron microscopy and diffraction"; Nature Communications, Volume 15, 2024-1-31
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