Kontinuierlich wird geforscht und experimentiert, um die bestmögliche Methode zur Abscheidung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu finden. Forscher des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums und der Columbia University haben hierfür eine innovative Methode entwickelt. Der Prozess der Herstellung fester Kohlenstoffnanofasern aus CO2-Katalysatoren wird nicht nur Kohlenstoff abscheiden, sondern auch Wasserstoff als Nebenprodukt produzieren.
Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums und der Columbia University haben ein Verfahren entwickelt, um Kohlendioxid (CO₂) in Kohlenstoffnanofasern umzuwandeln. Diese Materialien weisen verschiedene besondere Eigenschaften auf und könnten zukünftig vielfältig eingesetzt werden. Die angewandte Strategie kombiniert elektrochemische und thermochemische Reaktionen bei niedrigen Temperaturen und normalem Druck. Wie die Wissenschaftler in ihrer Veröffentlichung detailliert beschreiben , bindet dieses innovative Verfahren Kohlenstoff effektiv in einem wertvollen festen Zustand und trägt so zur Reduzierung oder sogar Umkehrung von Kohlenstoffemissionen bei. Zusätzlich entsteht bei dem Prozess Wasserstoffgas (H₂ ) , ein vielversprechender alternativer Kraftstoff, der bei seiner Verwendung emissionsfrei ist.
Jingguang Chen, Leiter der Forschungsarbeiten und Professor für Chemieingenieurwesen an der Columbia University mit einer gemeinsamen Professur am Brookhaven National Laboratory, erklärte: „Man kann die Kohlenstoffnanofasern in Zement einarbeiten, um ihn zu verstärken. Dadurch würde der Kohlenstoff für mindestens 50 Jahre, möglicherweise auch länger, im Beton gebunden. Bis dahin sollte die Welt vorwiegend auf erneuerbare Energiequellen umgestiegen sein, die kein Kohlenstoffdioxid ausstoßen.“
Kohlenstoffabscheidung und -umwandlung
Die Abscheidung und Umwandlung von CO₂ zur Bekämpfung des Klimawandels ist kein neues Konzept. Die bloße Speicherung von CO₂-Gas kann jedoch zu Leckagen führen. Viele CO₂-Umwandlungsprozesse erzeugen kohlenstoffbasierte Chemikalien oder Kraftstoffe, die sofort verbraucht werden und dadurch wieder CO₂ in die Atmosphäre freisetzen.
Professor Chen sagte: „Das Neue an dieser Arbeit ist, dass wir versuchen, CO2 in etwas umzuwandeln, das einen Mehrwert hat, aber in einer festen, nutzbaren Form vorliegt.“
Kohlenstoffnanofasern und -nanoröhren sind feste Kohlenstoffmaterialien mit Abmessungen von Milliardstel Metern. Zu ihren Eigenschaften zählen Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Die Gewinnung von Kohlenstoff aus CO2 und dessen Aufbau zu feinen Strukturen ist nicht einfach. Ein wärmebasierter Prozess erfordert Temperaturen über 1,000 °C.
„Für eine großflächige CO2-Minderung ist das sehr unrealistisch. Im Gegensatz dazu haben wir einen Prozess gefunden, der bei etwa 400 °C ablaufen kann, was eine viel praktischere und industriell realisierbare Temperatur darstellt“, fügte Prof. Chen hinzu.
Das Tandem 2-Step
Die Reaktion wurde in zwei Phasen unterteilt, um zwei verschiedene Katalysatortypen zu verwenden. Dies erleichtert den Molekülen die Organisation und Reaktion.
Zhenhua Xie , Hauptautor der Studie und Wissenschaftler am Brookhaven Laboratory und der Columbia University, sagte: „Wenn man die Reaktion in mehrere Teilreaktionsschritte aufteilt, kann man verschiedene Arten von Energiezufuhr und Katalysatoren verwenden, um jeden Teil der Reaktion zum Funktionieren zu bringen.“
Schritt 1:
Die Wissenschaftler entdeckten, dass die Verwendung von Kohlenmonoxid (CO) als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Kohlenstoffnanofasern (CNF) effektiver ist als die Verwendung von CO₂. Anschließend arbeiteten sie daran, die effizienteste Methode zur CO-Gewinnung aus CO₂ zu ermitteln. Ihre vorherigen Arbeiten führten sie zur Verwendung eines kommerziell erhältlichen Elektrokatalysators aus Palladium auf Kohlenstoffträger. Dieser Elektrokatalysator kann mithilfe von elektrischem Strom sowohl CO₂ als auch Wasser in CO und H₂ spalten.
Schritt 2:
Für die Herstellung fester Kohlenstoffnanofasern aus CO₂-Katalysatoren verwendeten die Wissenschaftler einen wärmeaktivierten Thermokatalysator aus einer Eisen-Kobalt-Legierung. Dieser arbeitet bei Temperaturen um 400 °C , deutlich milder als bei einer direkten CO₂-zu-CNF-Umwandlung . Sie entdeckten außerdem, dass die Zugabe einer geringen Menge zusätzlichen metallischen Kobalts die Bildung der Kohlenstoffnanofasern erheblich steigert.
Professor Chen sagte: „Durch die Kopplung von Elektrokatalyse und Thermokatalyse nutzen wir diesen Tandemprozess, um Dinge zu erreichen, die mit keinem der beiden Prozesse allein erreicht werden können.“
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Katalysatoruntersuchung
Die Wissenschaftler führten verschiedene Experimente durch, um die Funktionsweise dieser Katalysatoren zu verstehen. Im Rahmen der Modellierung nutzten sie Dichtefunktionaltheorie- Berechnungen (DFT) , um die Atomstrukturen und andere Eigenschaften der Katalysatoren unter verschiedenen chemischen Wechselwirkungen zu untersuchen. Röntgenexperimente am NSLS-II überwachten die physikalischen und chemischen Umwandlungen der Katalysatoren während der Reaktionen.
Ping Liu von der Chemieabteilung des Brookhaven National Laboratory, Mitautorin und Leiterin der Berechnungen der Studie , erklärte: „Wir untersuchen die Strukturen, um die stabilen Phasen des Katalysators unter Reaktionsbedingungen zu bestimmen. Wir analysieren die aktiven Zentren und deren Bindungen mit den Reaktionszwischenprodukten. Durch die Bestimmung der Barrieren bzw. Übergangszustände von einem Reaktionsschritt zum nächsten erfahren wir genau, wie der Katalysator während der Reaktion funktioniert.“
„Im zweiten Schritt wollten wir herausfinden, wie die Struktur des Eisen-Kobalt-Systems unter Reaktionsbedingungen aussieht und wie man den Eisen-Kobalt-Katalysator optimieren kann“, fügte Xie hinzu.
Die Röntgenexperimente bestätigten das Vorhandensein einer Eisen-Kobalt-Legierung. Sie zeigten außerdem zusätzliches metallisches Kobalt, das für die Umwandlung von CO in Kohlenstoffnanofasern notwendig ist. Laut Liu: „Die beiden Komponenten wirken nacheinander zusammen. Unsere Studie zeigt, dass die Kobalt-Eisen-Bindungen in der Legierung dazu beitragen, die CO-Bindungen des Kohlenmonoxids zu spalten. Dadurch wird atomarer Kohlenstoff als Ausgangsmaterial für den Aufbau von Kohlenstoffnanofasern verfügbar. Das zusätzliche Kobalt erleichtert dann die Bildung der C-C-Bindungen, die die Kohlenstoffatome miteinander verbinden.“
Umweltfreundlich und CO2-neutral
Soo Yeon Hwang , Wissenschaftlerin am CFN und Mitautorin der Studie, sagte: „Die am CFN durchgeführte Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Analyse enthüllte die Morphologie, die Kristallstrukturen und die Elementverteilung innerhalb der Kohlenstoffnanofasern sowohl mit als auch ohne Katalysatoren.“
Laut Prof. Chen zeigen die Bilder, dass der Katalysator mit dem Wachstum der Kohlenstoffnanofasern nach oben und von der Oberfläche weg verdrängt wird. Dadurch lässt sich das Katalysatormetall leicht recyceln. Wir verwenden Säure, um das Metall auszulaugen, ohne die Kohlenstoffnanofasern zu zerstören. So können wir die Metalle konzentrieren und sie als Katalysator wiederverwenden.
Das Verfahren ist aus folgenden Gründen kosteneffektiv :
- Einfachheit des Katalysators Recycling
- Kommerzielle Verfügbarkeit von Katalysatoren
- Relativ milde Reaktionsbedingungen für die zweite Reaktion
„Für praktische Anwendungen sind beides wirklich wichtig: die CO2-Fußabdruckanalyse und die Recyclingfähigkeit des Katalysators. Unsere technischen Ergebnisse und diese weiteren Analysen zeigen, dass diese Tandemstrategie die Möglichkeit eröffnet, CO2 zu wertvollen festen Kohlenstoffprodukten zu dekarbonisieren und gleichzeitig erneuerbaren Wasserstoff zu produzieren“, fügte Prof. Chen hinzu.
Wenn die Herstellung fester Kohlenstoffnanofasern aus CO₂-Katalysatoren mit erneuerbaren Energien erfolgt , wird sie tatsächlich klimaneutral sein . Dies wird weitere neue Möglichkeiten zur CO₂-Minderung eröffnen.
Quelle : Katalysatorkombination wandelt CO2 in feste Kohlenstoffnanofasern um
