Ein gemeinsames Forschungsteam hat einen neuen elektrochemischen Katalysator entwickelt, der die Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) in Ethylen (C2H4) fördert.
Durch gemeinsame Bemühungen unter der Leitung der Professoren Dae-hyun Nam und Youn-gu Lee vom Department of Energy Science and Engineering am DGIST und Professor Seo-in Back vom Department of Chemical and Biomolecular Engineering der Sogang University hat das Forschungsteam eine Technologie entwickelt um die Ethylenproduktion durch den Einbau von Vitamin C in einen Kohlendioxid-Reduktionskatalysator eines heterogenen Systems erheblich zu steigern.
Dies basiert auf der Beobachtung, dass das Vorhandensein von Kohlendioxid in der Luft den Vitamin-C-Gehalt in Früchten beeinflusst.
Die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid wird zunehmend als grundlegende Technologie für „umweltfreundliche Energie“ anerkannt. Ziel dieses Prozesses ist es, die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre zu verringern und gleichzeitig sauberere Energiequellen für die Zukunft zu schaffen. Bestehende elektrochemische Katalysatoren stehen jedoch vor der Herausforderung, unter Bedingungen hoher Stromdichte eine konstante katalytische Leistung zu erzielen.
Diese Einschränkung behindert die Bildung des essentiellen Zwischenprodukts Kohlenmonoxid, das eine entscheidende Rolle bei der Ethylenumwandlung spielt. Stattdessen neigen diese Katalysatoren dazu, eher die Reaktion zur Wasserstofferzeugung als die Reaktion zur Kohlendioxidreduktion auszulösen.
Daher ist es für eine nahtlose Reduktion von Kohlendioxid wichtig, eine stabile Bildung des Zwischenprodukts Kohlenmonoxid bei hoher Stromdichte durch einen elektrochemischen Katalysator zu erreichen und die Dimerisierung zu fördern, wenn zwei Kohlenmonoxid-Zwischenprodukte kombiniert werden.
Daher entwickelte das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Nam am DGIST eine Methode, um die Oxidations-Reduktions-Reaktion von Vitamin C in die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid zu integrieren, basierend auf dem Phänomen, dass der Vitamin-C-Gehalt in Früchten in einer Umgebung mit hoher Konzentration abnimmt von Kohlendioxid.
Das Forschungsteam synthetisierte Vitamin C mit Graphen-Quantenpunkten und stellte einen „Vitamin C-steigernden Kupfer-Nanodraht“ her, indem es das synthetisierte Material mit Kupfer kombinierte. Dieser Ansatz trug zur Stabilisierung von Vitamin C durch die Nanoeinschlusseffekte von Graphen-Quantenpunkten bei und ermöglichte die Reversibilität der Oxidations-Reduktion.
Darüber hinaus lieferte die Oxidations-Reduktions-Reaktion von Vitamin C dem Kohlendioxid kontinuierlich Elektronen und Protonen, was den Dimerisierungsprozess förderte und das Kohlenmonoxid-Zwischenprodukt erzeugte. Folglich zeigte der neu entwickelte Katalysator eine 2,9-fache Steigerung der Ethylenproduktion im Vergleich zu herkömmlichen Kupfer-Nanodraht-Katalysatoren.
Darüber hinaus stellte das Forschungsteam fest, dass das in Graphen enthaltene Vitamin C die Integration des Kohlenmonoxid-Zwischenprodukts und des Kupferkatalysators durch Echtzeit-Raman-spektroskopische Analyse und Computersimulation optimiert. Das Forschungsteam identifizierte außerdem das Funktionsprinzip des Katalysators, indem es verifizierte, dass Elektronen und Protonen abgegeben werden können, was die Reduktionsreaktion von Kohlendioxid auf der Grundlage einer starken Wasserstoffbindung erleichtert.
Professor Nam vom DGIST erklärte: „Diese Forschung hat einen elektrochemischen Katalysator geschaffen, der durch die Reduktion von Kohlendioxid eine Ethylenproduktion in großem Maßstab ermöglicht, und einen neuartigen Reaktionsmechanismus aufgedeckt. Es wird erwartet, dass diese Technologie eine Schlüsselrolle bei der Erreichung der Kohlenstoffneutralität durch die Umwandlung von Kohlendioxid spielt.“ – ein Hauptverursacher der globalen Erwärmung – in eine hochwertige Verbindung.“
Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.
Mehr Informationen:
Jongyoun Kim et al., Die durch Vitamin C induzierte CO2-Abscheidung ermöglicht eine hohe Ethylenproduktion bei der CO2-Elektroreduktion. Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-023-44586-0
Bereitgestellt von DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology)