Ingenieure der University of Cincinnati haben ein vielversprechendes elektrochemisches System entwickelt, mit dem Emissionen aus Chemie- und Kraftwerken in nützliche Produkte umgewandelt werden können und gleichzeitig dem Klimawandel entgegengewirkt wird.
Jingjie Wu, Assistenzprofessor am UC College of Engineering and Applied Science, und seine Studenten wandelten in einer zweistufigen Kaskadenreaktion Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und dann in Ethylen um, eine Chemikalie, die von Lebensmittelverpackungen bis hin zu Autoreifen verwendet wird.
Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature Catalysis in Zusammenarbeit mit der University of California Berkeley und dem Lawrence Berkeley National Laboratory veröffentlicht.
Tianyu Zhang, Absolvent des UC College of Engineering and Applied Science und einer der Hauptautoren der Studie, leitete im vergangenen Jahr eine ähnliche Studie, in der Möglichkeiten zur Umwandlung von Kohlendioxid in Methan untersucht wurden, das als Raketentreibstoff für die Erforschung des Mars verwendet werden könnte.
“Die Bedeutung der zweistufigen Umwandlung liegt darin, dass wir die Ethylenselektivität und Produktivität gleichzeitig mit einer kostengünstigen Strategie erhöhen können”, so Zhang. “Dieser Prozess kann auf verschiedene Reaktionen angewandt werden, da die Elektrodenstruktur allgemein und einfach ist.”
Selektivität bedeutet, dass die gewünschten Verbindungen isoliert werden. Die Produktivität ist die Menge an Ethylen, die der Reaktor produzieren kann.
“Wir reduzieren selektiv Kohlenstoffemissionen in etwas, das aufgrund seiner vielen nachgelagerten Anwendungen als wertvoll angesehen wird”, so Zhang.
Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von der Stahl- und Zementindustrie bis hin zur Öl- und Gasindustrie.
“In Zukunft können wir diese Technik nutzen, um Kohlenstoffemissionen zu reduzieren und daraus einen Gewinn zu erzielen. Die Reduzierung der Kohlenstoffemissionen wird also kein kostspieliger Prozess mehr sein”, sagte er.
Ethylen wird als “die wichtigste Chemikalie der Welt” bezeichnet. Es wird in einer Reihe von Kunststoffen verwendet, von Wasserflaschen bis zu PVC-Rohren, Textilien und Gummi in Reifen und Isolierungen.
Professor Wu sagte, dass die von ihnen produzierte Chemikalie als “grünes Ethylen” bekannt ist, weil sie aus erneuerbaren Quellen hergestellt wird.
“Im Idealfall können wir die Umwelt von Treibhausgasen befreien und gleichzeitig Kraftstoffe und Chemikalien herstellen”, so Wu. “Kraftwerke und Ethylenanlagen stoßen eine Menge Kohlendioxid aus. Unser Ziel ist es, das Kohlendioxid abzufangen und es durch elektrochemische Umwandlung in Ethylen umzuwandeln.”
Bislang erfordert der Prozess mehr Energie, als er an Ethylen produziert. Durch den Einsatz von Tandemelektroden konnten die UC-Ingenieure die Produktivität und Selektivität steigern, beides Schlüsselindikatoren, um das Verfahren für die Industrie kommerziell attraktiv zu machen, so Wu.
Die Eindämmung und Umwandlung von Treibhausgasen hat enorme ökologische Vorteile, so Wu.
“Das wird von der Regierung forciert. In der Zukunft brauchen wir eine nachhaltige Entwicklung, also müssen wir Kohlendioxid umwandeln”, sagte er.
Und Wu sagte, dass Kupfer nicht unbedingt der beste Katalysator für diese Reaktion ist, so dass Branchenexperten mögliche Alternativen haben, die die Produktivität und Effizienz noch weiter steigern könnten.
“Unser System ist sehr allgemein, aber man kann bevorzugte Katalysatoren verwenden”, sagte Wu. “Aber selbst mit handelsüblichem Kupfer konnten wir die Leistung mehr als verdoppeln. Mit einem noch besseren Katalysator könnten wir das wirtschaftliche Problem lösen.”
Wu meldete im vergangenen Jahr Patente für ihr Design an.
Laut Zhang wird es noch einige Zeit dauern, bis das System wirtschaftlich wird. Aber sie haben bereits enorme Fortschritte gemacht, sagte er.
“Die Technologie hat sich in 10 Jahren stark verbessert. Ich bin optimistisch, dass wir in den nächsten 10 Jahren ähnliche Fortschritte sehen werden. Dies ist ein Wendepunkt”, sagte Zhang.
Datum: März 18, 2022
Quelle: Universität von Cincinnati
Journal Reference:
- Tianyu Zhang, Justin C. Bui, Zhengyuan Li, Alexis T. Bell, Adam Z. Weber, Jingjie Wu. Highly selective and productive reduction of carbon dioxide to multicarbon products via in situ CO management using segmented tandem electrodes. Nature Catalysis, 2022; DOI: 10.1038/s41929-022-00751-0