Was wäre, wenn wir schädliche Umweltverschmutzung in wertvolle Energie umwandeln könnten? Während sich die Welt in Richtung CO2-Neutralität bewegt, ist die Entwicklung neuer Technologien zur Emissionsreduzierung von entscheidender Bedeutung.Wissenschaftler haben Sprühkatalysatoren und direkte Kristallisationstechniken eingesetzt, um eine schnelle und kostengünstige Möglichkeit zur Umwandlung von Kohlendioxid in synthetische Kraftstoffvorläufer zu schaffen.
Tohoku-Universität, JapanHokkaido-UniversitätForscher von AZUL Energy haben eine hocheffiziente Methode entwickelt, um Kohlendioxid (CO2) in Kohlenmonoxid (CO) umzuwandeln. Kohlenmonoxid ist ein wichtiger Bestandteil synthetischer Kraftstoffe. Dieser Prozess reduziert die Konvertierungszeit von 24 Stunden auf nur 15 Minuten und setzt damit einen neuen Maßstab.
„Die Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid ist derzeit ein heißes Thema im Kampf gegen den Klimawandel, aber traditionelle Technologien weisen einige große Mängel auf, die wir beheben wollen“, sagte Liu Tengyi vom WPI-AIMR der Northeastern University. „Diese Materialien sind teuer, instabil, haben eine begrenzte Selektivität und die Herstellung dauert lange. Ihr Einsatz in realen industriellen Umgebungen ist nicht machbar.“
Herstellungsverfahren für mit Metallphthalocyaninkristallen modifizierte Gasdiffusionselektroden sowie Eigenschaften und Leistung bei Verwendung von Kobaltphthalocyaninkristallen (CoPc). Bildquelle: Hiroshi Yabu et al.
Um den industriellen Bedarf zu decken, haben Forscher verschiedene Arten von Phthalocyanin (Pc), darunter metallfreies Phthalocyanin (H2Pc), Eisenphthalocyanin (FePc), Kobaltphthalocyanin (CoPc), Nickelphthalocyanin (NiPc) und Kupferphthalocyanin (CuPc), als potenzielle Katalysatoren untersucht. Sie trugen diese Verbindungen mit einer einfachen Sprühtechnik auf Gasdiffusionselektroden auf und bildeten eine kristalline Schicht direkt auf der Elektrodenoberfläche. Unter ihnen ist Kobaltphthalocyanin (CoPc) ein kostengünstiger Pigment- und Metallkomplex, der die höchste Effizienz bei der Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid aufweist.
Vergleich der CO2-CO-Umwandlungsleistung einer mit CoPc-Kristallen modifizierten Gasdiffusionselektrode mit zuvor berichteten Ergebnissen. Bildquelle: Hiroshi Yabu et al.
Diese Graffiti-ähnliche Methode reduziert die typische Verarbeitungszeit auf nur 15 Minuten, indem der Katalysator einfach auf die Oberfläche gesprüht wird. Herkömmliche Methoden erfordern langwierige Prozesse, einschließlich des Mischens von leitfähigem Kohlenstoff und Klebstoffen, des Trocknens und einer mehr als 24-stündigen Wärmebehandlung. Darüber hinaus kann das neue System bei einer Stromdichte von 150 mA/cm² eine stabile Leistung für 144 Stunden aufrechterhalten.
Mithilfe der DigCat-Datenbank, der bisher größten Datenbank zur experimentellen Elektrokatalyse, bestätigten die Forscher, dass ihr Katalysator alle bisher veröffentlichten Katalysatoren auf PC-Basis übertraf.
„Dies ist nicht nur der bisher beste PC-basierte Katalysator für die Produktion von Kohlendioxid, sondern seine Reaktionsgeschwindigkeit und Stabilität haben auch erfolgreich die branchenüblichen Schwellenwerte übertroffen“, sagte Professor Liu. „Dies ist der erste Katalysator überhaupt, der diesen Standard erreicht.“
Um die Gründe für seine hervorragende Leistung zu erforschen, führte das Forschungsteam eine Strukturanalyse mit Synchrotronstrahlung aus der NanoTerasu-Anlage durch und führte theoretische Berechnungen durch. Die Ergebnisse zeigen, dass der Kristallisationsprozess dicht gepackte Moleküle bildet, was einen effizienten Elektronentransfer zur Oberfläche fördert. Diese Ergebnisse unterstreichen die direkte Kristallisation als wirksame Strategie zur Herstellung von Metallkomplex-Katalysatorelektroden für die CO₂-Elektroreduktion.
Haltbarkeitsbewertung von CoPc-Kristall-modifizierten Gasdiffusionselektroden. Bildquelle: Hiroshi Yabu et al.
Die in dieser Studie entwickelte Methode zur Herstellung von Gasdiffusionselektroden bietet in Kombination mit der Kohlendioxid-Elektrolysetechnologie einen vielversprechenden Ansatz zur effizienten Synthese von Kohlenmonoxid (CO, einem wichtigen synthetischen Kraftstoffzwischenprodukt) aus Kohlendioxid unter Verwendung kostengünstiger Katalysatoren auf Pigmentbasis.
Der Ansatz löst einen wichtigen Engpass bei der Produktion synthetischer Kraftstoffe, indem er die Energieeffizienz verbessert und die Kosten der CO2-Nutzung senkt. Daher hat es großes Potenzial als Technologie zur Kohlendioxidabscheidung und -nutzung (CCU) der nächsten Generation.
Zusammengestellt von /ScitechDaily