Entwicklungsstrategien für den Einsatz kohlenstoffbasierter Katalysatoren in der CO₂-Umwandlung

Einer der Haupttreiber des Klimawandels, der CO2-Ausstoß, hat weltweit über 35 Millionen Tonnen erreicht. Da die globalen Jahrestemperaturen weiterhin steigen, ist die Reduzierung des CO2-Ausstoßes zu einer Notwendigkeit geworden. Um diese Notwendigkeit in eine Chance zu verwandeln, arbeiten Forscher an Möglichkeiten, das CO2 abzufangen, wodurch die Emissionen reduziert und das CO2 anschließend in wertvolle Chemikalien und Kraftstoffe umgewandelt werden kann.

Eine der Schwierigkeiten bei der Arbeit mit CO2 besteht darin, dass es thermodynamisch sehr stabil ist. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, sind zusätzliche Energie und ein starker Katalysator erforderlich, um die Reaktion voranzutreiben. Eine Forschungsgruppe an der China University of Petroleum (Ostchina) hat den Einsatz von kohlenstoffbasierten Katalysatoren im Umwandlungsprozess untersucht. Sie haben mehrere verschiedene, sehr effektive Synthesestrategien entwickelt, bei denen diese Katalysatoren bei der katalytischen Umwandlung von CO2 eingesetzt werden.

Ihre Rezension ist erschienen in Kohlenstoff-Zukunft.

„In dieser Übersicht haben wir die Entwicklungsstrategie für Katalysatoren mithilfe von Kohlenstoffspezies-unterstützenden Methoden in unserer Forschungsgruppe zusammengefasst, die auf die thermochemische und elektrochemische Hydrierung von CO2 angewendet werden können. Diese Übersicht soll durch die Entwicklung kohlenstoffbasierter Katalysatoren zu neuen Ideen für die CO2-Hydrierung anregen“, sagte Mingbo Wu, Professor am College of New Energy, State Key Laboratory of Heavy Oil Processing an der China University of Petroleum (Ostchina) und Hauptautor des Artikels.

Die Forscher konzentrierten sich auf Kohlenstoffspezies, da sie aufgrund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften gute Kandidaten als Katalysatoren sind, relativ kostengünstig und sehr stabil sind. Kohlenstoffbasierte Katalysatoren können auch bei der Herstellung und dem Prozess der katalytischen CO2-Umwandlung verschiedene Rollen spielen. Sie können verwendet werden, um die Struktur von Katalysatoren zu modifizieren, als Katalysatorträger, als elektronische Regler von Katalysatoren und als Hauptkatalysatoren.

Die CO2-Umwandlung erfolgt durch CO2-Hydrierung, d. h. durch die Zugabe von Wasserstoffatomen zum CO2 und die Entfernung seiner Sauerstoffatome. Dies wird entweder durch die Energie der Elektrokatalyse erreicht, die den Prozess mit Strom antreibt, oder durch die Thermokatalyse, die den Prozess mit Wärme antreibt. Um eine Erhöhung der Schadstoff- und Treibhausgasmenge zu vermeiden, empfiehlt Wus Team, nach Möglichkeit grüne erneuerbare Energie als Energiequelle zu verwenden.

Wus Team hat mehrere verschiedene Katalysatorstrategien entwickelt und erforscht. Ein Beispiel für eine dieser Strategien ist die elektrokatalytische Reduktion von CO2 mithilfe eines kohlenstoffbasierten Katalysatormaterials.

Im Wesentlichen wird CO2 in HCOO, Formiat, umgewandelt, das ein ungiftiger, leicht zu transportierender und vielversprechender grüner Kraftstoff ist. Die Schwierigkeit bei der Entwicklung dieser Strategien besteht darin, einen Prozess zu schaffen, der sowohl effizient als auch stabil ist. Daher ist die Gestaltung des Prozesses und der Art des verwendeten Katalysators so wichtig.

Die Forscher führten die Umwandlung mithilfe karburierter Iridiumoxid-Nanostäbe, einem Metalloxid, durch. Das von ihnen entwickelte Verfahren nutzt die Fähigkeit der Kohlenstoffspezies, die elektronische Struktur von Metallen zu modulieren und so die Aktivität von Katalysatoren und die Selektivität von Formiaten zu verbessern, sagte Wenhang Wang, ein Forscher der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen der Universität Liaocheng und Erstautor der Studie.

„Wir werden uns immer der Entwicklung und Anwendung von kohlenstoffbasierten Katalysatoren widmen. Mit der Entwicklung des Designkonzepts des Katalysators und der Charakterisierungstechnologie sind wir fest davon überzeugt, dass ein klarer Plan für die Verwendung von Kohlenstoffmaterialien für Katalysatoren gezeichnet ist und der Durchbruch auf diesem Gebiet in naher Zukunft zu erwarten ist“, sagte Wu.