Kohlendioxid einfangen und effizient in Energie umwandeln

Forscher haben herausgefunden, wie Kohlendioxid durch einen einzigen elektrochemischen Prozess eingefangen und umgewandelt werden kann, bei dem eine mit Blasen bedeckte Elektrode, wie die im Bild gezeigte, verwendet wird, um aus einem absorbierenden Material freigesetztes Kohlendioxid anzuziehen und in CO2-neutral umzuwandeln Produkte. Bildnachweis: John Frieda/MIT MechE

Diese Ergebnisse, die auf einem einzigen elektrochemischen Prozess basieren, könnten dazu beitragen, die Emissionen von Industrien zu reduzieren, die schwer zu dekarbonisieren sind, wie etwa Stahl und Zement.

In den Bemühungen, die globalen Treibhausgasemissionen auf der ganzen Welt zu reduzieren, haben Wissenschaftler in Massachusetts Institute of Technology Sie konzentrieren sich auf Technologien zur Kohlenstoffabscheidung, um die anspruchsvollsten Industrieemissionen zu dekarbonisieren.

Aufgrund der inhärenten Verwendung von Kohlenstoff und fossilen Brennstoffen in ihren Prozessen ist es besonders schwierig, Branchen wie die Stahl-, Zement- und Chemieindustrie zu dekarbonisieren. Wenn Technologien entwickelt werden können, mit denen Kohlenstoffemissionen abgeschieden und in den Produktionsprozess zurückgeführt werden können, könnte dies zu einer erheblichen Reduzierung der Emissionen aus diesen „schwer einzudämmenden“ Sektoren führen.

Bei den derzeitigen experimentellen Technologien zur Abscheidung und Umwandlung von Kohlendioxid handelt es sich jedoch um zwei getrennte Prozesse, deren Betrieb selbst eine enorme Energiemenge erfordert. Das MIT-Team möchte die beiden Prozesse in einem integrierten, energieeffizienteren System kombinieren, das mit erneuerbarer Energie betrieben werden kann, um Kohlendioxid aus konzentrierten industriellen Quellen abzufangen und umzuwandeln.

Aktuelle Erkenntnisse zur Kohlenstoffabscheidung und -umwandlung

In einer Studie, die am 5. September in der Zeitschrift veröffentlicht wurde ACS-KatalyseForscher enthüllen die verborgene Funktion, wie Kohlendioxid durch einen einzigen elektrochemischen Prozess eingefangen und umgewandelt wird. Bei diesem Verfahren wird mithilfe einer Elektrode das vom absorbierenden Material freigesetzte Kohlendioxid aufgefangen und in eine wiederverwendbare verdünnte Form umgewandelt.

Andere haben über ähnliche Demonstrationen berichtet, aber die Mechanismen, die die elektrochemische Reaktion antreiben, blieben unklar. Das MIT-Team führte umfangreiche Experimente durch, um diesen Antrieb zu bestimmen, und stellte schließlich fest, dass er auf den Partialdruck von Kohlendioxid zurückzuführen war. Mit anderen Worten: Je reiner das CO2, das mit der Elektrode in Kontakt kommt, desto effizienter fängt die Elektrode das Molekül ein und wandelt es um.

Finden Sie heraus, was dieser Haupt- oder „aktive“ Motor ist. Klassifizieren„könnte Wissenschaftlern dabei helfen, ähnliche elektrochemische Systeme zu verfeinern und zu optimieren, um Kohlendioxid in einem integrierten Prozess effizient einzufangen und umzuwandeln.

Die Studienergebnisse deuten darauf hin, dass diese elektrochemischen Systeme zwar möglicherweise nicht für stark verdünnte Umgebungen geeignet sind (z. B. um Kohlenstoffemissionen direkt aus der Luft einzufangen und umzuwandeln), aber für hochkonzentrierte Emissionen, die durch industrielle Prozesse entstehen, gut geeignet wären. Vor allem diejenigen, die keine klare Alternative zu erneuerbaren Energien haben.

„Wir können und sollten auf erneuerbare Energiequellen umsteigen, um Strom zu erzeugen“, sagt Studienautor Petar Galant, außerordentlicher Professor für Karriereentwicklung am MIT, Jahrgang 1922. „Eine tiefgreifende Dekarbonisierung von Industrien wie der Zement- oder Stahlproduktion ist eine Herausforderung und wird Zeit brauchen.“ Länger: „Selbst wenn wir alle unsere Kraftwerke abschaffen, brauchen wir einige Lösungen, um kurzfristig mit den Emissionen anderer Industrien umzugehen, bevor wir sie vollständig dekarbonisieren können.“ Hier sehen wir einen idealen Punkt, an dem so etwas wie dieses System funktionieren könnte.

Co-Autoren der Studie vom MIT sind der Hauptautor und Postdoktorand Graham Leverick und die Doktorandin Elizabeth Bernhardt sowie Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lo, Arif Arifuzzaman und Mohd Khairuddin Arua von der Sunway University Malaysia.

Den Kohlenstoffabscheidungsprozess verstehen

Kohlenstoffabscheidungstechnologien dienen der Abscheidung von Emissionen oder „Rauchgasen“ aus den Schornsteinen von Kraftwerken und Produktionsanlagen. Dies geschieht hauptsächlich durch große Nachrüstungen, um Emissionen in Kammern zu leiten, die mit einer „Einfanglösung“ gefüllt sind – einer Mischung aus Aminen oder Verbindungen auf Ammoniakbasis, die sich chemisch mit Kohlendioxid verbinden und so eine stabile Form erzeugen, die vom Rest getrennt werden kann. Aus Rauchgas.

Anschließend werden hohe Temperaturen angewendet, üblicherweise in Form von Dampf aus fossilen Brennstoffen, um das eingefangene Kohlendioxid aus der Aminobindung zu lösen. In seiner reinen Form kann das Gas dann in Lagertanks oder in den Untergrund gepumpt, mineralisiert oder in Chemikalien oder Kraftstoff umgewandelt werden.

„Kohlenstoffabscheidung ist eine ausgereifte Technologie, da die Chemie seit etwa 100 Jahren bekannt ist, aber sie erfordert wirklich große Anlagen und ist sehr teuer und energieintensiv im Betrieb“, betont Gallant. „Was wir wollen, sind Technologien, die flexibler und flexibler sind und an vielfältigere Kohlendioxidquellen angepasst werden können. Elektrochemische Systeme können hier Abhilfe schaffen.“

Ihre Gruppe am MIT entwickelt ein elektrochemisches System, das eingefangenes Kohlendioxid zurückgewinnt und in ein reduziertes, nutzbares Produkt umwandelt. Ein solches integriertes und nicht separates System könnte vollständig mit erneuerbarem Strom statt mit Dampf aus fossilen Brennstoffen betrieben werden, sagt sie.

Im Mittelpunkt ihres Konzepts steht eine Elektrode, die in bestehende Kammern für Kohlenstoffabscheidungslösungen eingebaut werden kann. Wenn an die Elektrode Spannung angelegt wird, fließen Elektronen auf die reaktive Form von Kohlendioxid und wandeln es mithilfe von aus dem Wasser zugeführten Protonen in ein Produkt um. Dadurch steht das Absorptionsmittel zur Verfügung, um mehr Kohlendioxid zu binden, anstatt für denselben Zweck Dampf zu verwenden.

Gallant hat zuvor gezeigt, dass dieser elektrochemische Prozess Kohlendioxid einfangen und in ein Gas umwandeln kann Form von festem Carbonat.

„Wir haben gezeigt, dass dieser elektrochemische Prozess in sehr frühen Konzepten möglich war“, sagt sie. „Seitdem gab es weitere Studien, die sich darauf konzentrierten, dieses Verfahren zur Herstellung nützlicher Chemikalien und Kraftstoffe zu nutzen. Aber es gab unter der Haube widersprüchliche Erklärungen dafür, wie diese Reaktionen funktionieren.“

Rolle von Solo CO2

In der neuen Studie nahm das MIT-Team ein Vergrößerungsglas unter die Haube, um die spezifischen Reaktionen herauszufinden, die den elektrochemischen Prozess antreiben. Im Labor stellten sie Aminolösungen her, die industriellen Abscheidungslösungen ähneln, die zur Extraktion von Kohlendioxid aus Rauchgasen verwendet werden. Sie variierten systematisch verschiedene Eigenschaften jeder Lösung, wie pH-Wert, Konzentration und Art des Amins, und leiteten dann jede Lösung durch eine Elektrode aus Silber, einem Metall, das häufig in Elektrolysestudien verwendet wird und für seine Fähigkeit bekannt ist, Kohlendioxid effizient in Kohlenstoff umzuwandeln . Monoxid. Anschließend maßen sie die Konzentration des umgewandelten Kohlenmonoxids am Ende der Reaktion und verglichen diese Zahl mit jeder anderen von ihnen getesteten Lösung, um herauszufinden, welcher Parameter den größten Einfluss auf die Menge des erzeugten Kohlenmonoxids hatte.

Am Ende stellten sie fest, dass es nicht, wie viele erwartet hatten, auf die Art des Amins ankam, das ursprünglich zum Einfangen des Kohlendioxids verwendet wurde. Stattdessen war es die Konzentration einzelner freier CO2-Moleküle, die eine Bindung an die Amine verhinderten, aber dennoch in der Lösung vorhanden waren. „Einzelnes Kohlendioxid“ bestimmt die Konzentration an Kohlenmonoxid, die letztendlich entsteht.

„Wir fanden heraus, dass es einfacher war, mit einzelnem Kohlendioxid zu reagieren als mit Kohlendioxid, das vom Amin eingefangen wurde“, sagt Leverick. „Dies sagt künftigen Forschern, dass dieser Prozess für Industrieströme machbar sein könnte, da hohe Konzentrationen von Kohlendioxid effizient abgeschieden und in nützliche Chemikalien und Kraftstoffe umgewandelt werden können.“

„Dies ist keine Entfernungstechnik, und das ist wichtig zu erwähnen“, betont Gallant. „Der Mehrwert besteht darin, dass wir CO2 mehrfach recyceln und gleichzeitig bestehende Industrieprozesse beibehalten können, um die damit verbundenen Emissionen zu reduzieren. Letztendlich ist mein Traum, dass elektrochemische Systeme verwendet werden können, um die Mineralisierung und dauerhafte Speicherung von CO2 zu erleichtern, ein wahrer Traum.“ Entfernungstechnologie.“ Dies ist eine langfristige Vision, und viele der wissenschaftlichen Erkenntnisse, die wir zu verstehen beginnen, sind ein erster Schritt zur Gestaltung dieser Prozesse.

Referenz: „Nachweis aktiver Spezies in aminvermitteltem Kohlendioxid₂ „Reduction to CO2 in Ag“ von Graham Leverick, Elizabeth M. Bernhardt, Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lu, A. Arif Al-Zaman, Muhammad Khairuddin Arwa und Petar M. Gallant*, 5. September 2023, ACS-Katalyse.
doi: 10.1021/acscatal.3c02500

Diese Forschung wird von der Sunway University Malaysia unterstützt.