Was wäre, wenn wir Kohlendioxidabfälle wiederbeleben könnten?
KIMS und KAIST entwickelten einen Katalysator-Syntheseprozess und eine Technologie zur Präzisionskontrolle, um die Effizienz der Kohlendioxidumwandlung zu maximieren
Da die Schwere des Klimawandels und die Kohlenstoffemissionen zu einem globalen Problem werden, werden dringend Technologien zur Umwandlung von Kohlendioxid (CO₂) in Ressourcen wie chemische Brennstoffe und Verbindungen benötigt. Das Forschungsteam von Dr. Dahee Park von der Forschungsabteilung für Nanomaterialien am Korea Institute of Materials Science (KIMS) hat in Zusammenarbeit mit dem Team von Professor Jeong-Young Park vom Fachbereich Chemie am KAIST eine Katalysatortechnologie entwickelt, die die Effizienz der Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) erheblich steigert.
Schematische Darstellung der verbesserten CO2-Umwandlungsreaktion, die durch die Synergieeffekte von Dual-Single-Atom-Katalysatoren erreicht wird
Korea Institute of Materials Science (KIMS)
Herkömmliche Technologien zur Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) haben aufgrund ihrer geringen Effizienz im Verhältnis zum hohen Energieverbrauch Probleme bei der Kommerzialisierung. Insbesondere Ein-Atom-Katalysatoren (SAC) leiden unter komplexen Syntheseprozessen und Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung einer stabilen Bindung mit Metalloxidträgern, die für die Stabilisierung der Katalysatorpartikel und die Verbesserung der Haltbarkeit entscheidend sind. Infolgedessen war die Leistung dieser Katalysatoren bisher begrenzt.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelte das Forschungsteam Technologien für Einzel- und Doppel-Einzelatom-Katalysatoren (DSAC) und führte ein vereinfachtes Verfahren zur Verbesserung der Katalysatoreffizienz ein. Dabei werden die elektronischen Wechselwirkungen zwischen den Metallen in den Dual-Single-Atom-Katalysatoren (DSAC) genutzt, wodurch im Vergleich zu bestehenden Technologien höhere Umwandlungsraten und eine ausgezeichnete Selektivität (die Fähigkeit eines Katalysators, die Produktion der gewünschten Produkte zu steuern) erzielt werden.
Diese Technologie beruht auf einem Katalysatordesignansatz, der die Sauerstofflücken und Defektstrukturen in Metalloxidträgern präzise steuert und so die Effizienz und Selektivität von Kohlendioxid (CO2)-Umwandlungsreaktionen erheblich verbessert. Sauerstoffleerstellen erleichtern die Adsorption von CO2 an der Katalysatoroberfläche, während Katalysatoren mit einem oder zwei Einzelatomen die Adsorption von Wasserstoff (H2) unterstützen. Die kombinierte Wirkung von Sauerstofflücken, Einzelatomen und Doppel-Einzelatomen ermöglicht die effektive Umwandlung von CO2 mit H2 in die gewünschten Verbindungen. Dual-Single-Atom-Katalysatoren (DSACs) nutzen elektronische Wechselwirkungen zwischen zwei Metallatomen, um den Reaktionsweg aktiv zu steuern und die Effizienz zu maximieren.
Das Forscherteam wandte die aerosolgestützte Sprühpyrolyse-Methode an, um Katalysatoren in einem vereinfachten Prozess zu synthetisieren, und zeigte damit auch ihr Potenzial für die Massenproduktion auf. Bei diesem Verfahren werden flüssige Materialien in Aerosole (feine nebelartige Partikel) umgewandelt und in eine beheizte Kammer eingebracht, wo der Katalysator ohne komplexe Zwischenschritte gebildet wird. Diese Methode ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der Metallatome innerhalb des Metalloxidträgers und eine genaue Kontrolle der Defektstrukturen. Durch die präzise Steuerung dieser Defektstrukturen konnte das Team stabile Einzel- und Doppel-Einzelatom-Katalysatoren (DSACs) bilden. Durch den Einsatz von DSACs konnten sie die Verwendung von Einatom-Katalysatoren um etwa 50 % reduzieren und gleichzeitig eine mehr als doppelt so hohe CO2-Umwandlungseffizienz im Vergleich zu herkömmlichen Methoden sowie eine außergewöhnlich hohe Selektivität von über 99 % erzielen.
Diese Technologie kann in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, z. B. in der chemischen Kraftstoffsynthese, der Wasserstoffproduktion und der sauberen Energieindustrie. Darüber hinaus ist die Katalysatorsynthesemethode (aerosolgestützte Sprühpyrolyse) aufgrund ihrer Einfachheit und hohen Produktionseffizienz sehr vielversprechend für die Kommerzialisierung.
Dr. Dahee Park, der leitende Forscher, erklärte: "Diese Technologie stellt einen bedeutenden Erfolg bei der drastischen Verbesserung der Leistung von Katalysatoren für die CO2-Umwandlung dar und ermöglicht gleichzeitig die Kommerzialisierung durch einen vereinfachten Prozess. Es wird erwartet, dass sie als Kerntechnologie für das Erreichen der Kohlenstoffneutralität dienen wird". Professor Jeong-Young Park vom KAIST fügte hinzu: "Diese Forschung bietet eine relativ einfache Methode für die Synthese eines neuen Typs von Ein-Atom-Katalysatoren, die in verschiedenen chemischen Reaktionen verwendet werden können. Sie bietet auch eine entscheidende Grundlage für die Entwicklung von Katalysatoren für den Abbau und die Nutzung von CO2, was eines der dringendsten Forschungsgebiete ist, um die durch Treibhausgase verursachte globale Erwärmung zu bekämpfen."
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Originalveröffentlichung
Dahee Park, Seunghwa Hong, Jaebeom Han, YongJoo Kim, Minhee Park, Byunghyun Lee, Yejin Song, Hye Young Koo, Sangsun Yang, Won Bo Lee, Jeong Young Park; "Insights into the synergy effect in dual single-atom catalysts on defective CeO2 under CO2 hydrogenation"; Applied Catalysis B: Environment and Energy, Volume 365
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