In den letzten Jahren haben viele Ingenieure und Materialwissenschaftler versucht, nachhaltige Energielösungen zu entwickeln, die dazu beitragen könnten, den Klimawandel auf der Erde abzuschwächen. Dazu gehören CO2-Abscheidungstechnologien, die speziell darauf ausgelegt sind, Kohlendioxid (CO2) an Orten abzuscheiden oder zu absorbieren, an denen es in großem Umfang produziert wird, wie z. B. in Kraftwerken oder Industrieanlagen, die auf Biomasse angewiesen sind oder fossile Brennstoffe verbrennen.
Während einige Kohlenstoffabscheidungslösungen vielversprechende Ergebnisse erzielten, verbrauchen diejenigen, die auf herkömmlichen nasschemischen Waschverfahren unter Verwendung von sp3-Aminen basieren, oft zu viel Energie und sind anfällig für Korrosion und Abbau des Sorptionsmittels. Dies schränkt ihre weit verbreitete Umsetzung erheblich ein und unterstreicht die Notwendigkeit alternativer Strategien zur CO2-Abtrennung.
Forscher der Johns Hopkins University, der University of Texas at Austin und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben kürzlich eine Reihe redox-abstimmbarer Lewis-Basen eingeführt (dh Moleküle mit einem einsamen Elektronenpaar, das an eine koordinative kovalente Bindung abgegeben werden kann ) mit sp2-Stickstoffzentren, die CO2 reversibel einfangen und freisetzen können. In ihrer Arbeit, veröffentlicht in Energie der Naturskizzieren sie auch Strategien zur Feinabstimmung der Eigenschaften dieser Lewis-Basen.
„Wir demonstrieren eine Bibliothek redox-abstimmbarer Lewis-Basen mit sp2-Stickstoffzentren, die Kohlendioxid durch einen elektrochemischen Zyklus reversibel einfangen und freisetzen können“, schrieben Xing Li, Xunhua Zhao, Yuanyue Liu, T. Alan Hatton und Yayuan Liu in ihrem Artikel . „Der Mechanismus des Kohlenstoffabscheidungsprozesses wird durch einen kombinierten experimentellen und rechnerischen Ansatz aufgeklärt.“
Die jüngste Arbeit der Forscher basiert auf der Idee, dass Lewis-Basen mit redoxaktiven sp2-Stickstoffzentren aufgrund ihrer CO2-Affinität mithilfe elektrochemischer Potentiale moduliert werden könnten, was die Entwicklung alternativer, effektiverer Kohlenstoffabscheidungslösungen ermöglicht. Um diese Hypothese zu verifizieren, stellten die Forscher eine Bibliothek organischer Basen zusammen, die sp2-Stickstoffzentren enthalten, darunter Pyridin, Diazin, Thiadizol und Azo-Einheiten.
„In der oxidierten Form zeigt keine dieser Verbindungen starke Wechselwirkungen mit CO2“, schreiben die Forscher in ihrer Veröffentlichung. „Ihr Elektroreduktions- und anschließendes Oxidationsverhalten kann jedoch durch das Vorhandensein von CO2 im Elektrolyten drastisch moduliert werden.“
Li und seine Kollegen haben den Mechanismus, der es den Lewis-Base-Sorbentien ermöglicht, Kohlenstoff einzufangen, sowohl in Computersimulationen als auch in Experimenten klar umrissen. Anschließend zeigten sie, dass die Eigenschaften dieser Sorptionsmittel mithilfe von Methoden des Molekulardesigns und des Elektrolyt-Engineering feinabgestimmt (dh auf spezifische Anwendungen zugeschnitten) werden können. Durch die Feinabstimmung der Eigenschaften der von ihnen geschaffenen Lewis-Basen konnten die Forscher dann eine besonders vielversprechende Lewis-Base auf Basis von bifunktionellem Azopyridin identifizieren.
„Wir identifizieren eine bifunktionelle Azopyridin-Base, die für die elektrochemisch vermittelte Kohlenstoffabscheidung vielversprechend ist und eine Kapazitätsauslastungseffizienz von >85 % über das Zyklieren in einem Strömungssystem unter 15 % Kohlendioxid mit 5 % Sauerstoff aufweist“, schreiben Li und seine Kollegen in ihrer Veröffentlichung. „Diese Arbeit erweitert den strukturellen Anwendungsbereich von redoxaktiven Kohlendioxid-Sorbentien und liefert Designrichtlinien für Moleküle mit einstellbarer Basizität unter elektrochemischen Bedingungen.“
In Zukunft könnte die von Li und seinen Kollegen identifizierte bifunktionelle Azopyridinbase verwendet werden, um energieeffizientere und effektivere Technologien zur Kohlenstoffabscheidung zu entwickeln. Darüber hinaus könnte ihre Arbeit den Weg zur Entwicklung anderer Kohlenstoffabscheidungslösungen auf der Basis von Lewis-Base-Sorbentien ebnen.
Mehr Informationen:
Xing Li et al, Redox-abstimmbare Lewis-Basen für die elektrochemische Kohlendioxidabscheidung, Energie der Natur (2022). DOI: 10.1038/s41560-022-01137-z
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