Die Umwandlung von atmosphärischem Kohlendioxid (CO2), einem Treibhausgas, in nützliche Ressourcen wie Kohlenmonoxid, Ameisensäure und Methanol sowie deren Nebenprodukte gilt als vielversprechender Weg zur Eindämmung der globalen Erwärmung und zur Schaffung wirtschaftlicher Werte. Ein Ansatz zur CO2-Umwandlung ist die elektrokatalytische Reduktion.
Bei diesem Verfahren werden herkömmliche Katalysatoren wie Blei, Silber, Zinn, Kupfer, Gold usw. auf leitfähigem Kohlenstoff als Elektrodenmaterial zur selektiven CO2-Reduktion eingesetzt. Allerdings ist die Elektrode während der Elektrokatalyse häufig einer Umgebung mit hohem pH-Wert des Elektrolyten ausgesetzt, was zu einer Verschlechterung des Katalysatorträgers führen kann und Anlass zu großer Sorge gibt.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat ein Forscherteam unter der Leitung von Herrn Kai Takagi und Prof. Chiaki Terashima von der Graduate School of Science and Technology und dem Research Institute for Science and Technology an der Tokyo University of Science (TUS) in Japan kürzlich ein entwickelt Katalysatorträger auf Basis von Titandioxid (TiO2)-Pulver, einer Verbindung, die häufig in Sonnenschutzmitteln, Farben, Beschichtungen, Zahnpasta, Kunststoffen, Papier, Pharmazeutika und Lebensmittelfarben verwendet wird, als Alternative zu Kohlenstoff zur Erleichterung einer wirksamen CO2-Reduzierung.
Ihre Arbeit wurde veröffentlicht in Wissenschaft der gesamten Umwelt.
Die Forscher führten zunächst eine Oberflächenbehandlung mit sicherem und kostengünstigem In-Liquid-Plasma durch, um die elektrochemischen Eigenschaften von TiO2 zu verbessern.
„Das im flüssigen Plasma behandelte TiO2 behielt seine Partikelform und Kristallstruktur bei. Darüber hinaus ergab die Elementaranalyse und Bewertung des Grenzflächenbindungszustands und der elektrochemischen Eigenschaften von TiO2, dass die Redoxpeaks, die Ti4+ und Ti3+ entsprechen und von TiO2 stammen, verschwanden und der Wasserstoff verschwand „Die Überspannung ist zurückgegangen“, sagte Prof. Terashima.
Diese Beobachtungen führten das Team zu dem Schluss, dass es auf einigen Teilen der reduzierten TiO2-Oberfläche zu einer Wolframbeschichtung oder -dotierung kam.
Anschließend verwendeten die Forscher das TiO2 als Träger und beladenen es mit Silbernanopartikeln (AgNPs), die als Katalysatoren wirken, um eine Gasdiffusionselektrode zur CO2-Reduktion zu entwickeln. Während unbehandeltes TiO2 eine hohe Selektivität für CO2 und Ruß aufwies, zeigte in flüssigem Plasma behandeltes TiO2 mit 40 Gew.-% AgNP-Beladung eine erhöhte Wasserstoffproduktion und eine verbesserte katalytische Leistung.
Da ein geeignetes Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid für eine wirksame CO2-Reduktion wichtig ist, verfügt die vorgestellte Technologie über ein enormes Potenzial für die Umwandlung von CO2 in nützliche Nebenprodukte wie Synthesegas, das als sauberer Kraftstoff mit sehr hohem industriellem Wert gilt.
Darüber hinaus kann die elektrokatalytische CO2-Reduktion mit erneuerbaren Energiequellen wie Sonnenkollektoren oder Windkraft kombiniert werden, um eine nachhaltige und umweltfreundliche CO2-Umwandlung zu erreichen. Daher ist diese Arbeit ein wichtiger Schritt zur effizienten Bekämpfung von Treibhausgasemissionen und zur Bekämpfung des Klimawandels.
„Hoffentlich wird die vorliegende Studie die Forschung zu Technologien für CO2-Neutralität und CO2-Recycling fördern, im Einklang mit den Zielen 7, 12 und 13 der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung zu bezahlbarer und sauberer Energie, verantwortungsvollem Konsum und Produktion sowie Klimaschutz.“ Diese wiederum werden Türen zur Verwirklichung einer CO2-neutralen und nachhaltigen Zukunft öffnen“, schließt Prof. Terashima.
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Kai Takagi et al., Synergistischer Effekt eines mit Ag dekorierten, in flüssigem Plasma behandelten Titandioxidkatalysators für eine effiziente elektrokatalytische CO2-Reduktionsanwendung, Wissenschaft der gesamten Umwelt (2023). DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.166018