Ein unaufhaltsamer Katalysator übertrifft Schwefel und revolutioniert die Kohlenstoffabscheidung

Ein elektrochemischer Katalysator zur Umwandlung von Kohlendioxid in wertvolle Produkte kann die Verunreinigungen bekämpfen, die bestehende Versionen vergiften.

Ein neuer Katalysator steigert die Umwandlung von eingefangenem Kohlenstoff in kommerzielle Produkte und sorgt so trotz Schwefeloxidverunreinigungen für eine hohe Effizienz. Diese Innovation könnte die Kosten und den Energiebedarf bei Technologien zur CO2-Abscheidung erheblich senken und sich auf die Schwerindustrie auswirken.

Forschern am Department of Engineering der University of Toronto ist es gelungen, einen neuen Katalysator zu entwickeln, der eingefangenen Kohlenstoff effizient in wertvolle Produkte umwandelt – selbst in Gegenwart eines Schadstoffs, der die Leistung vorhandener Versionen beeinträchtigt.

Diese Entdeckung ist ein wichtiger Schritt hin zu wirtschaftlicheren Kohlenstoffabscheidungs- und -speicherungstechnologien, die zu bestehenden industriellen Prozessen hinzugefügt werden können.

Entwicklungen bei Kohlenstoffumwandlungstechnologien

sagt Professor David Sinton (MIE), Hauptautor eines in der Zeitschrift veröffentlichten Artikels Die Energie der Natur Am 4. Juli, der den neuen Katalysator beschreibt.

„Aber es gibt auch andere Wirtschaftszweige, die schwer zu dekarbonisieren sein werden: zum Beispiel die Stahl- und Zementherstellung. Um diese Industrien zu unterstützen, müssen wir innovative Wege finden, um Kohlenstoff in Abfallströmen einzufangen und zu erhöhen.“

Die Ingenieursdoktoranden Roy Kai (Ray) Miao (links) und Panos Papangelakis (rechts) der University of Toronto halten einen neuen Katalysator in der Hand, den sie entwickelt haben, um eingefangenes Kohlendioxid in wertvolle Produkte umzuwandeln. Ihr Modell funktioniert auch in Gegenwart von Schwefeldioxid, einem Schadstoff, der andere Katalysatoren vergiftet, gut. Bildnachweis: Tyler Irving/University of Toronto Engineering

Einsatz eines Elektrolyseurs bei der Kohlenstoffumwandlung

Sinton und sein Team nutzen Geräte, sogenannte Elektrolyseure, um Kohlendioxid und Elektrizität in Produkte wie Ethylen und Ethanol umzuwandeln. Diese kohlenstoffbasierten Moleküle können als Kraftstoff verkauft oder als chemischer Rohstoff zur Herstellung von Alltagsgegenständen wie Kunststoff verwendet werden.

Im Elektrolyseur findet eine Umwandlungsreaktion statt, wenn sich drei Elemente – Kohlendioxidgas, Elektronen und ein flüssiger Elektrolyt auf Wasserbasis – auf der Oberfläche eines festen Katalysators verbinden.

Der Katalysator besteht häufig aus Kupfer, kann aber auch andere Metalle oder organische Verbindungen enthalten, die das System weiter verbessern können. Seine Funktion besteht darin, die Reaktion zu beschleunigen und die Bildung unerwünschter Nebenprodukte wie Wasserstoffgas zu reduzieren, was die Gesamteffizienz des Prozesses verringert.

Bewältigung der Herausforderungen der Katalysatoreffizienz

Zwar ist es vielen Forschungsteams auf der ganzen Welt gelungen, Hochleistungskatalysatoren herzustellen, doch fast alle sind für den Betrieb mit reinem Kohlendioxid ausgelegt. Wenn der betreffende Kohlenstoff jedoch aus Schornsteinen stammt, ist der durch diesen Prozess erzeugte Kohlenstoff wahrscheinlich alles andere als rein.

„Katalysatordesigner beschäftigen sich im Allgemeinen nicht gerne mit Verunreinigungen, und das aus gutem Grund“, sagt Panos Papangelakis, Doktorand im Maschinenbau und einer von fünf Co-Autoren des neuen Papiers.

„Schwefeloxide wie Schwefeldioxid vergiften den Katalysator, indem sie sich an die Oberfläche binden. Dadurch bleiben weniger Reaktionsstellen für das Kohlendioxid übrig und es entstehen auch Chemikalien, die Sie nicht möchten.“

„Das passiert sehr schnell: Während einige Katalysatoren mit einer reinen Beschickung Hunderte von Stunden halten können, kann ihre Effizienz durch die Einführung dieser Verunreinigungen innerhalb von Minuten auf 5 % sinken.“

Obwohl es etablierte Methoden zur Entfernung von Verunreinigungen aus CO2-reichen Abgasen vor deren Einspeisung in den Elektrolyseur gibt, sind diese Methoden zeitaufwändig, energieintensiv und kostenintensiv für die Kohlenstoffabscheidung und -optimierung. Darüber hinaus kann im Fall von Schwefeldioxid bereits eine geringe Menge ein großes Problem darstellen.

„Selbst wenn man den Abgasanteil auf weniger als 10 Teile pro Million oder 0,001 % des Einsatzmaterials reduziert, kann der Katalysator in weniger als zwei Stunden immer noch vergiften“, sagt Papangelakis.

Innovationen im Katalysatordesign

In diesem Artikel beschreibt das Team, wie sie einen flexibleren Katalysator entwickelt haben, der Schwefeldioxid widerstehen kann, indem sie zwei wichtige Änderungen an einem typischen Katalysator auf Kupferbasis vorgenommen haben.

Auf einer Seite trugen sie eine dünne Schicht Polytetrafluorethylen, auch Teflon genannt, auf. Dieses nicht klebrige Material verändert die Chemie auf der Oberfläche des Katalysators und hemmt die Reaktionen, die eine Schwefeldioxidvergiftung ermöglichen.

Auf der anderen Seite fügten sie eine Schicht aus Nafion hinzu, einem elektrisch leitfähigen Polymer, das typischerweise in Brennstoffzellen verwendet wird. Dieses komplexe, poröse Material enthält einige Bereiche, die hydrophil sind, was bedeutet, dass sie Wasser anziehen, sowie andere Bereiche, die hydrophob sind, was bedeutet, dass sie es abstoßen. Diese Struktur erschwert es Schwefeldioxid, die Oberfläche des Katalysators zu erreichen.

Leistung unter widrigen Bedingungen

Anschließend versorgte das Team diesen Katalysator mit einer Mischung aus Kohlendioxid und Schwefeldioxid, wobei letzteres eine Konzentration von etwa 400 Teilen pro Million aufwies, was einem typischen industriellen Abfallstrom entspricht. Selbst unter diesen schwierigen Bedingungen leistete der neue Katalysator gute Dienste.

„In dieser Studie berichteten wir über eine Faraday-Effizienz – ein Maß für die Anzahl der Elektronen, die in den gewünschten Produkten landeten – von 50 %, die wir 150 Stunden lang aufrechterhalten konnten“, sagt Papangelakis.

„Es gibt einige Katalysatoren, die vielleicht anfangs eine höhere Effizienz haben, vielleicht 75 % oder 80 %. Aber auch hier gilt: Wenn man Schwefeldioxid ausgesetzt ist, sinkt die Effizienz innerhalb von Minuten oder höchstens ein paar Stunden auf fast Null. Wir.“ Ich konnte dagegen ankämpfen.“ „

Zukünftige Trends und Auswirkungen

Papangelakis sagt, dass der Ansatz seines Teams keinen Einfluss auf die Zusammensetzung des Katalysators selbst hat und daher umfassend angewendet werden sollte. Mit anderen Worten: Teams, die bereits Hochleistungskatalysatoren beherrschen, sollten in der Lage sein, ähnliche Beschichtungen zu verwenden, um ihnen Widerstandsfähigkeit gegen Schwefeloxidvergiftungen zu verleihen.

Obwohl Schwefeloxide die problematischste Verunreinigung in typischen Abfallströmen darstellen, sind sie nicht die einzigen Verunreinigungen, da sich das Team als nächstes dem gesamten Spektrum chemischer Verunreinigungen zuwendet.

„Es sind noch viele weitere Verunreinigungen zu berücksichtigen, etwa Stickoxide, Sauerstoff usw.“, sagt Papangelakis.

„Aber die Tatsache, dass dieser Ansatz mit Schwefeloxiden sehr gut funktioniert, ist sehr vielversprechend. Vor dieser Arbeit ging man davon aus, dass man Verunreinigungen entfernen muss, bevor man das Kohlendioxid aufwertet. Wir haben gezeigt, dass es auch anders gehen kann.“ damit umzugehen, was viele neue Möglichkeiten eröffnet.“

Referenz: „Improving SO2 Tolerance of CO2 Reduction Electrocatalysts Using Polymer/Catalyst/Ionomer Heterojunction Design“ von Panagiotis Papangelakis, Rui Kai Miao, Ruihu Lu, Hanqi Liu, Shi Wang, Adnan Ozden, Shijie Liu und Ning Sun, Colin B. O ‚Brien, Yongfeng Hu, Mohsen Shakouri, Qinfeng Xiao, Mingsha Li, Behrouz Khater, Jian’an Eric Huang, Yakun Wang, Yu-Celin Xiao, Feng Li, Ali Shaisteh Zarate, Qiang Zhang, Pingyu Liu, Kevin Golovin und Jin -Yi Hao, Hongjian Liang, Xiyun Wang, Jun Li, Edward H. Sargent und David Sinton, 4. Juli 2024, Die Energie der Natur.
DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9