Die chemische Industrie hat eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung der Gesellschaft gespielt, aber ihre Auswirkungen auf die Umwelt sind zu einem wachsenden Problem geworden. Grüne Chemie und Verfahrenstechnik haben durch die Umwandlung nachwachsender Rohstoffe in umweltfreundliche Chemikalien Möglichkeiten der Nachhaltigkeit eröffnet. Die inerten Bindungen in Molekülen wie CO2 und N2 stellen jedoch Herausforderungen an ihre Aktivierung und Umwandlung.
Die elektrochemische Umwandlung bietet einen vielversprechenden CO2-neutralen Weg zur Aufwertung umweltfreundlicher chemischer Quellen mit inerten Bindungen zu Chemikalien und Kraftstoffen unter Umgebungsbedingungen. Mehrkomponenten-Elektrokatalysatoren haben Vorteile gegenüber Einkomponenten-Katalysatoren, wie bessere Stabilität, erhöhte Aktivität und erweiterte Reaktionsprozesse.
Mehrkomponenten-Elektrokatalysatoren bieten eine vielversprechende Lösung für die Herausforderung der Nachhaltigkeit in der chemischen Industrie. Eine Gruppe von Forschern veröffentlichte ihre Bewertung auf Industrielle Chemie & Materialien.
„Die chemische Industrie hat eine entscheidende Rolle in der historischen Entwicklung der Gesellschaft gespielt, aber sie bringt auch aufkommende Umweltprobleme und explodierende CO2-Emissionen mit sich“, sagte der korrespondierende Autor Buxing Han, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Professor am Institute of Chemistry, Chinese Akademie der Wissenschaften (ICCAS).
„Wir waren motiviert, die Möglichkeiten grüner Chemie und chemischer Verfahrenstechnik zu erkunden, um erneuerbare Rohstoffe wie CO2 und NOx in umweltfreundliche Chemikalien umzuwandeln, darunter Synthesegas, Kohlenwasserstoffe, Sauerstoffverbindungen und Ammoniak.“
„Allerdings stellen diese inerten Bindungen, wie die C=O-Bindung in CO2, Herausforderungen für ihre Aktivierung und Umwandlung dar. Wir wollten die elektrochemische Umwandlung als universellen CO2-neutralen Weg erforschen, um grüne chemische Quellen mit inerten Bindungen zu Chemikalien effizient aufzurüsten und Kraftstoffe unter Umgebungsbedingungen, die saubere Energie nutzen“, sagte Co-Autor Prof. Xiaofu Sun, ICCAS.
„Mehrkomponenten-Elektrokatalysatoren bieten Vorteile gegenüber Einkomponenten-Katalysatoren in Bezug auf Stabilität, Aktivität und Reaktionsprozesse. Daher haben wir die Verwendung von Mehrkomponenten-Katalysatoren bei der Elektroreduktion von kleinen Molekülen wie CO2, N2 und NOx untersucht. Wir haben drei Modelle für Mehrkomponenten-Katalysatoren entwickelt : Typ I, Typ II und Typ III, die wir in unserem Artikel diskutieren.“
Typ I beinhaltet eine nicht katalytisch aktive Komponente, die eine andere katalytische Komponente aktivieren oder schützen kann. Typ II umfasst alle katalytischen Komponenten, die aktive Zwischenprodukte für die elektrochemische Umwandlung bereitstellen. Beim Typ III stellt eine Komponente durch Umwandlung oder Adsorption das Substrat für die andere bereit.
„Jedes dieser Modelle hat seine eigenen Vor- und Nachteile, abhängig von der spezifischen Reaktion und dem Katalysator. Wir haben die Verwendung dieser Modelle in unserer Arbeit untersucht, um ihre Wirksamkeit bei der Elektroreduktion kleiner Moleküle zu zeigen“, sagte Han. „Und wir haben auch zukünftige Richtungen für die Anwendung von Mehrkomponenten-Elektrokatalysatoren bei der industriellen Nutzung erneuerbarer chemischer Quellen durch hocheffiziente Aktivierung und Umwandlung von inerten Bindungen diskutiert.“
Was sind die wichtigsten Herausforderungen, die bei der Entwicklung und Nutzung von Mehrkomponenten-Elektrokatalysatoren für die Aktivierung und Umwandlung erneuerbarer chemischer Quellen angegangen werden müssen? „Eine zentrale Herausforderung ist die Verbesserung der Selektivität und Effizienz der Elektrokatalysatoren sowie die Erhöhung ihrer Stabilität und Aktivität“, sagte Sun. „Eine weitere Herausforderung besteht darin, die grundlegenden Mechanismen der Elektroreduktionsreaktionen zu verstehen und wie sie durch die Mehrkomponentenkatalysatoren beeinflusst werden.“
„Noch wichtiger ist, dass weitere Forschung und Entwicklung erforderlich sind, um diese elektrochemischen Prozesse zu vergrößern und in industrielle Anwendungen zu integrieren. Viele vielversprechende Forschungsprojekte werden in unserem Labor durchgeführt“, sagte Han.
Mehr Informationen:
Shunhan Jia et al., Mehrkomponenten-Katalysatordesign für die CO2/N2/NOx-Elektroreduktion, Industrielle Chemie & Materialien (2023). DOI: 10.1039/D2IM00056C
Bereitgestellt von Industrial Chemistry & Materials