Forscher der Universität Liverpool haben einen bedeutenden Meilenstein bei der Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) in wertvolle Brennstoffe und Chemikalien erreicht und damit einen wichtigen Schritt in Richtung einer nachhaltigen Netto-Null-Wirtschaft gemacht.
In einem Papier veröffentlicht in der Zeitschrift Chemieberichtet das Team über einen bahnbrechenden plasmakatalytischen Prozess zur Hydrierung von CO2 zu Methanol bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck.
Dieser Durchbruch überwindet die Einschränkungen der herkömmlichen thermischen Katalyse, die häufig hohe Temperaturen und Drücke erfordert, was zu einer geringen CO2-Umwandlung und Methanolausbeute führt.
Das neuartige Verfahren nutzt einen bimetallischen Ni-Co-Katalysator in einem nichtthermischen Plasmareaktor, um bei 35 °C und 0,1 MPa eine beeindruckende Selektivität von 46 % für Methanol und eine CO2-Umwandlung von 24 % im Einzeldurchgang zu erreichen.
Nichtthermisches Plasma, ein ionisiertes Gas, das energiereiche Elektronen und reaktive Spezies enthält, kann starke chemische Bindungen inerter Moleküle wie CO2 aktivieren und so chemische Reaktionen unter milden Bedingungen ermöglichen.
Darüber hinaus können plasmabasierte modulare Systeme sofort ein- und ausgeschaltet werden und bieten so große Flexibilität bei der Nutzung intermittierender erneuerbarer Elektrizität für die dezentrale Produktion von Kraftstoffen und Chemikalien.
Professor Xin Tu, Lehrstuhlinhaber für Plasmakatalyse an der Universität Liverpool, sagte: „Unsere Arbeit zeigt, dass die Plasmakatalyse eine flexible und dezentrale Lösung für die CO2-Hydrierung zu Methanol unter Umgebungsbedingungen bietet.
„Unsere jüngste technisch-wirtschaftliche Bewertung zeigt auch, dass dieser Prozess die Kapitalkosten im Vergleich zu herkömmlichen thermischen katalytischen CO2-zu-Methanol-Prozessen erheblich senken kann und einen gangbaren Weg für die Nutzung erneuerbarer Energiequellen bei der Herstellung synthetischer Kraftstoffe bietet.“
Durch In-situ-Charakterisierung mittels plasmagekoppelter Fourier-Transformations-Infrarot-(FTIR)-Technik und Dichtefunktionaltheorie-(DFT)-Berechnungen wurde festgestellt, dass die bimetallische Ni-Co-Grenzfläche das primäre aktive Zentrum für die Methanolsynthese ist, wobei die CO2-Adsorption und -Hydrierung über den Eley-Rideal-(ER)-Mechanismus erfolgt und eine Vielzahl von Zwischenprodukten erzeugt wird.
Darüber hinaus spielen sowohl der Formiat- als auch der Carboxylweg eine entscheidende Rolle bei der Methanolbildung, während sich die Wege des umgekehrten Wassergas-Shifts (RWGS) und der CO-Hydrierung an den Ni-Co-Stellen als weniger günstig erwiesen.
Die präzise Kontrolle der Ni-Co-Stellen in bimetallischen Katalysatoren ist vielversprechend für die Anpassung des Gewichts jedes Reaktionspfades durch die Förderung der asymmetrischen Adsorption von CO2-Molekülen an den bimetallischen Grenzflächen und damit für eine wirksame Modulation der Produktverteilung.
Diese Forschung unterstreicht das große Potenzial der Plasmakatalyse als neue Elektrifizierungstechnologie für eine nachhaltige CO2-Umwandlung und Kraftstoffproduktion. Die Möglichkeit, diese Reaktionen unter Umgebungsbedingungen mithilfe eines modularen und skalierbaren Plasmasystems durchzuführen, stellt eine attraktive Alternative für die chemische Industrie dar.
Darüber hinaus können plasmabasierte Systeme mit intermittierendem erneuerbarem Strom betrieben werden, was die Machbarkeit einer dezentralen Produktion von Kraftstoffen und Chemikalien verbessert.
Diese Pionierarbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der katalytischen CO2-Umwandlung dar und bietet vielversprechende Ansätze für künftige Forschung und industrielle Anwendungen, um die Herausforderungen einer nachhaltigen Zukunft zu meistern.
Das Forschungsteam der Universität Liverpool ist führend in der Plasmakatalyse und hat auch bahnbrechende Fortschritte bei der plasmakatalytischen Umwandlung von CO2 in andere Brennstoffe und Chemikalien erzielt. So haben sie beispielsweise vielversprechende Plasmaprozesse für die CO2-Methanisierung und die einstufige Umwandlung von Biogas in Methanol entwickelt und in diesem Bereich drei PCT-Patente angemeldet.
Weitere Informationen:
Yaolin Wang et al., Entwicklung bimetallischer Ni-Co-Grenzflächen für die plasmakatalytische CO2-Hydrierung zu Methanol bei Raumtemperatur, Chemie (2024). DOI: 10.1016/j.chempr.2024.06.022