Ein Forscherteam unter der Leitung von Meenesh Singh von der University of Illinois Chicago hat einen Weg entdeckt, 100 % des aus Industrieabgasen abgeschiedenen Kohlendioxids in Ethylen umzuwandeln, ein wichtiger Baustein für Kunststoffprodukte.
Ihre Ergebnisse werden in veröffentlicht Zellberichte Physikalische Wissenschaft.
Während Forscher seit mehr als einem Jahrzehnt die Möglichkeit der Umwandlung von Kohlendioxid in Ethylen untersuchen, ist der Ansatz des UIC-Teams der erste, der eine nahezu 100-prozentige Nutzung von Kohlendioxid zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen erreicht. Ihr System verwendet Elektrolyse, um eingefangenes Kohlendioxidgas in hochreines Ethylen umzuwandeln, mit anderen kohlenstoffbasierten Brennstoffen und Sauerstoff als Nebenprodukten.
Das Verfahren kann bis zu 6 Tonnen Kohlendioxid in 1 Tonne Ethylen umwandeln, wobei fast das gesamte abgeschiedene Kohlendioxid recycelt wird. Da das System mit Strom betrieben wird, kann die Verwendung erneuerbarer Energien den Prozess CO2-negativ machen.
Laut Singh übertrifft der Ansatz seines Teams das Netto-Null-Kohlenstoff-Ziel anderer Kohlenstoffabscheidungs- und -umwandlungstechnologien, indem er tatsächlich den gesamten Kohlendioxidausstoß der Industrie reduziert. „Es ist ein Netto-Negativ“, sagte er. „Für jede produzierte Tonne Ethylen nehmen Sie 6 Tonnen CO2 aus Punktquellen, die sonst in die Atmosphäre freigesetzt würden.“
Frühere Versuche zur Umwandlung von Kohlendioxid in Ethylen haben sich auf Reaktoren verlassen, die Ethylen innerhalb des Kohlendioxid-Emissionsstroms der Quelle erzeugen. In diesen Fällen werden typischerweise nur 10 % der CO2-Emissionen in Ethylen umgewandelt. Das Ethylen muss später in einem energieintensiven Prozess, oft unter Einsatz fossiler Brennstoffe, vom Kohlendioxid getrennt werden.
Beim UIC-Ansatz wird elektrischer Strom durch eine Zelle geleitet, die zur Hälfte mit abgeschiedenem Kohlendioxid und zur anderen Hälfte mit einer Lösung auf Wasserbasis gefüllt ist. Ein elektrifizierter Katalysator zieht geladene Wasserstoffatome aus den Wassermolekülen in die andere Hälfte der durch eine Membran abgetrennten Einheit, wo sie sich mit geladenen Kohlenstoffatomen aus den Kohlendioxidmolekülen zu Ethylen verbinden.
Unter den weltweit hergestellten Chemikalien steht Ethylen nach Ammoniak und Zement an dritter Stelle der CO2-Emissionen. Ethylen wird nicht nur zur Herstellung von Kunststoffprodukten für die Verpackungs-, Landwirtschafts- und Automobilindustrie verwendet, sondern auch zur Herstellung von Chemikalien, die in Frostschutzmitteln, medizinischen Sterilisatoren und Vinylverkleidungen für Häuser verwendet werden.
Ethylen wird normalerweise in einem Prozess namens Dampfcracken hergestellt, der enorme Mengen an Wärme erfordert. Beim Cracken entstehen etwa 1,5 Tonnen CO2-Emissionen pro erzeugter Tonne Ethylen. Im Durchschnitt produzieren die Hersteller jedes Jahr rund 160 Millionen Tonnen Ethylen, was mehr als ergibt 260 Millionen Tonnen der Kohlendioxidemissionen weltweit.
Neben Ethylen konnten die UIC-Wissenschaftler mit ihrem Elektrolyse-Ansatz weitere kohlenstoffreiche Produkte herstellen, die für die Industrie nützlich sind. Sie erreichten auch einen sehr hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenenergie und wandelten 10 % der Energie von den Sonnenkollektoren direkt in Kohlenstoffprodukte um. Dies liegt deutlich über dem Stand der Technik von 2 %. Für das gesamte von ihnen produzierte Ethylen betrug der Wirkungsgrad der Sonnenenergieumwandlung etwa 4 %, ungefähr die gleiche Rate wie bei der Photosynthese.
Aditya Prajapati et al, CO2-freies hochreines Ethylen aus der Elektroreduktion von CO2 mit 4 % Solar-zu-Ethylen- und 10 % Solar-zu-Kohlenstoff-Effizienz, Zellberichte Physikalische Wissenschaft (2022). DOI: 10.1016/j.xcrp.2022.101053