Ein neuer Katalysator auf Zuckerbasis könnte eine mögliche Lösung für die Nutzung von abgeschiedenem Kohlenstoff bieten

Ein neuer Katalysator, der aus einem kostengünstigen, reichlich vorhandenen Metall und gewöhnlichem Haushaltszucker hergestellt wird, hat die Kraft, das Gas Kohlendioxid (CO2) zu zerstören.

In einer neuen Studie der Northwestern University wandelte der Katalysator CO2 erfolgreich in Kohlenmonoxid (CO) um, einen wichtigen Baustein zur Herstellung einer Vielzahl nützlicher Chemikalien. Wenn die Reaktion beispielsweise in Gegenwart von Wasserstoff stattfindet, verwandeln sich CO2 und Wasserstoff in Synthesegas (oder Synthesegas), einen äußerst wertvollen Vorläufer für die Herstellung von Kraftstoffen, die möglicherweise Benzin ersetzen können.

Angesichts der jüngsten Fortschritte bei den Technologien zur Kohlenstoffabscheidung wird die Kohlenstoffabscheidung nach der Verbrennung zu einer plausiblen Option, um zur Bewältigung der globalen Klimakrise beizutragen. Doch wie mit dem eingefangenen Kohlenstoff umgegangen werden soll, bleibt eine offene Frage. Der neue Katalysator könnte möglicherweise eine Lösung für die Beseitigung des starken Treibhausgases darstellen, indem er es in ein wertvolleres Produkt umwandelt.

Die Studie mit dem Titel „Ein aktiver, stabiler kubischer Molybdäncarbid-Katalysator für die Hochtemperatur-Reverse-Water-Gas-Shift-Reaktion“ Ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaft.

„Selbst wenn wir jetzt aufhören würden, CO2 auszustoßen, hätte unsere Atmosphäre immer noch einen Überschuss an CO2 aufgrund industrieller Aktivitäten aus den vergangenen Jahrhunderten“, sagte Milad Khoshooei von Northwestern, der die Studie mitleitete.

„Es gibt keine Patentlösung für dieses Problem. Wir müssen die CO2-Emissionen reduzieren und neue Wege finden, um die CO2-Konzentration, die sich bereits in der Atmosphäre befindet, zu verringern. Wir sollten alle möglichen Lösungen nutzen.“

„Wir sind nicht die erste Forschungsgruppe, die CO2 in ein anderes Produkt umwandelt“, sagte Omar K. Farha von Northwestern, der leitende Autor der Studie. „Damit der Prozess jedoch wirklich praktikabel ist, ist ein Katalysator erforderlich, der mehrere entscheidende Kriterien erfüllt: Erschwinglichkeit, Stabilität, einfache Produktion und Skalierbarkeit. Das Gleichgewicht dieser vier Elemente ist von entscheidender Bedeutung. Glücklicherweise erfüllt unser Material diese Anforderungen hervorragend.“

Als Experte für Kohlenstoffabscheidungstechnologien ist Farha Charles E. und Emma H. ​​Morrison Professor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences im Nordwesten. Nach Beginn dieser Arbeit als Ph.D. Khoshooei ist Kandidat an der University of Calgary in Kanada und jetzt Postdoktorand in Farhas Labor.

Lösungen aus der Vorratskammer

Das Geheimnis des neuen Katalysators ist Molybdänkarbid, ein extrem harter Keramikwerkstoff. Im Gegensatz zu vielen anderen Katalysatoren, die teure Metalle wie Platin oder Palladium erfordern, ist Molybdän ein kostengünstiges, unedles Metall, das auf der Erde häufig vorkommt.

Um Molybdän in Molybdäncarbid umzuwandeln, benötigten die Wissenschaftler eine Kohlenstoffquelle. Sie entdeckten eine günstige Option an einem unerwarteten Ort: der Speisekammer. Überraschenderweise diente Zucker – die weiße, granulierte Sorte, die in fast jedem Haushalt zu finden ist – als kostengünstige und praktische Quelle für Kohlenstoffatome.

„Jeden Tag, an dem ich versuchte, diese Materialien zu synthetisieren, brachte ich Zucker von zu Hause ins Labor“, sagte Khoshooei. „Im Vergleich zu anderen Materialklassen, die üblicherweise für Katalysatoren verwendet werden, ist unseres unglaublich kostengünstig.“

Erfolgreich selektiv und stabil

Beim Testen des Katalysators waren Farha, Khoshooei und ihre Mitarbeiter von seinem Erfolg beeindruckt. Der Katalysator arbeitete bei Umgebungsdruck und hohen Temperaturen (300–600 Grad Celsius) und wandelte CO2 mit 100 % Selektivität in CO um.

Hohe Selektivität bedeutet, dass der Katalysator nur auf das CO2 einwirkte, ohne die umgebenden Materialien zu zerstören. Mit anderen Worten: Die Industrie könnte den Katalysator auf große Mengen eingefangener Gase anwenden und gezielt nur das CO2 angreifen. Der Katalysator blieb auch im Laufe der Zeit stabil, was bedeutet, dass er aktiv blieb und nicht abgebaut wurde.

„In der Chemie ist es nicht ungewöhnlich, dass ein Katalysator nach ein paar Stunden seine Selektivität verliert“, sagte Farha. „Aber nach 500 Stunden unter rauen Bedingungen änderte sich seine Selektivität nicht.“

Dies ist besonders bemerkenswert, da CO2 ein stabiles – und hartnäckiges – Molekül ist.

„Die Umwandlung von CO2 ist nicht einfach“, sagte Khoshooei. „CO2 ist ein chemisch stabiles Molekül, und wir mussten diese Stabilität überwinden, was viel Energie erfordert.“

Tandem-Ansatz zur CO2-Reinigung

Die Entwicklung von Materialien zur Kohlenstoffabscheidung ist ein Hauptschwerpunkt von Farhas Labor. Seine Gruppe entwickelt metallorganische Gerüste (MOFs), eine Klasse hochporöser Materialien in Nanogröße, die Farha mit „hochentwickelten und programmierbaren Badeschwämmen“ vergleicht. Farha erforscht MOFs für verschiedene Anwendungen, einschließlich der direkten Gewinnung von CO2 aus der Luft.

Jetzt, so Farha, könnten MOFs und der neue Katalysator zusammenarbeiten, um eine Rolle bei der Kohlenstoffabscheidung und -bindung zu spielen.

„Irgendwann könnten wir einen MOF einsetzen, um CO2 einzufangen, gefolgt von einem Katalysator, der es in etwas Nützlicheres umwandelt“, schlug Farha vor. „Ein Tandemsystem, das zwei unterschiedliche Materialien für zwei aufeinanderfolgende Schritte nutzt, könnte der Weg in die Zukunft sein.“

„Dies könnte uns helfen, die Frage zu beantworten: ‚Was machen wir mit dem abgeschiedenen CO2?‘“, fügte Khoshooei hinzu.

„Derzeit ist geplant, es unterirdisch zu binden. Um CO2 sicher und dauerhaft zu speichern, müssen unterirdische Speicher viele Anforderungen erfüllen. Wir wollten eine universellere Lösung entwickeln, die überall einsetzbar ist und gleichzeitig einen wirtschaftlichen Mehrwert bietet.“