Ein neues elektrochemisches Verfahren kann die chemische Produktion sauberer und energieeffizienter machen.
Ein Team aus Wissenschaftlern und Mitarbeitern des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hat mithilfe von Dünnschicht-Nickelanoden eine Möglichkeit gefunden, die Chemikalienproduktion sauberer zu gestalten.
Bei der Untersuchung neuer elektrochemischer Reaktionen ist die Verwendung dünner Filme wichtig, da diese eine einheitliche Arbeitsoberfläche bieten und so das Verständnis der tatsächlichen Funktionsweise des Katalysators erleichtern.
„Dünne Filme eliminieren Komplikationen durch poröse/raue Strukturen oder unterschiedliche Dicken, so dass wir uns auf die wahren Eigenschaften des Katalysatormaterials konzentrieren können“, sagte LLNL-Postdoc Aditya Prajapati, Erstautor einer Papier erscheint im Journal ACS-Katalyse.
Einer der korrespondierenden Autoren und Hauptinitiatoren dieses Projekts, Christopher Hahn, sagte: „Dies hilft uns, die chemischen Reaktionen besser zu verstehen und herauszufinden, wie wir sie verbessern können, um effizientere Prozesse zu ermöglichen.“
Aktuelle Elektrolyseure (die elektrische Energie in Moleküle mit hoher potentieller Energiedichte umwandeln) haben aufgrund der Sauerstoffentwicklung an der Anode Probleme mit der Energieeffizienz. Das Team fand heraus, dass der Energieverbrauch um mehr als 50 % gesenkt werden könnte, wenn diese Sauerstoffentwicklungsreaktion durch die Oxidation von Biomasse ersetzt würde. Dies würde sowohl die Effizienz als auch die Notwendigkeit einer nachhaltigen Biomasseumwandlung berücksichtigen.
Dieser Prozess reinigt die chemische Produktion, indem er aus Biomasse gewonnenes 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) in 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) umwandelt, einen wertvollen Baustein für nachhaltige Kunststoffe wie PEF (ein biobasiertes Polymer). Das Team kam zu dem Schluss, dass der Prozess die Erdölabhängigkeit und die Kohlenstoffemissionen verringert.
„Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, die hohe Temperaturen erfordern und giftige Abfälle produzieren, ist unsere elektrochemische Methode sauberer und energieeffizienter“, sagte Nitish Govindarajan, einer der korrespondierenden Autoren dieser Arbeit.
Durch die Verwendung von Biomasse als Ausgangsmaterial unterstützt der Prozess die Verwendung erneuerbarer Rohstoffe, fördert eine Kreislaufwirtschaft und verringert die Abhängigkeit von endlichen fossilen Brennstoffreserven.
Die elektrochemische Oxidation von HMF zu FDCA verbraucht im Vergleich zu herkömmlichen Methoden weniger Energie und trägt so zu einem geringeren CO2-Fußabdruck in der chemischen Produktion bei. Darüber hinaus besteht in Kombination mit erneuerbarer Energie auch das Potenzial, einen CO2-Fußabdruck von Null zu erzielen.
Weitere LLNL-Autoren sind Wenyu Sun, Jeremy Feaster und Sneha Akhade sowie Forscher der Université de Montréal und der Universität Bonn.
Mehr Informationen:
Aditya Prajapati et al, Mechanistische Einblicke in die elektrochemische Oxidation von 5-Hydroxymethylfurfural auf einer Dünnschicht-Ni-Anode, ACS-Katalyse (2024). DOI: 10.1021/acscatal.4c01448