Ein Forschungsteam hat einen hocheffizienten Photokatalysator entwickelt, der Kohlendioxid (CO2), einen Hauptverursacher des Klimawandels, in Erdgas (Methan, CH4) umwandelt. Das Team wird von Professor In Soo-il von der Abteilung für Energiewissenschaft und -technik am DGIST geleitet. Die Studie ist veröffentlicht im Journal Angewandte Katalyse B: Umwelt und Energie.
Die globale Erwärmung führt zu anormalen Klimaveränderungen auf der ganzen Welt und bedroht das Überleben der Menschheit. Die Reduzierung der Treibhausgase ist entscheidend für die Lösung des zunehmend besorgniserregenden Problems der globalen Erwärmung, für die atmosphärisches Kohlendioxid in andere Stoffe umgewandelt werden muss.
Die photokatalytische Technologie ist eine umweltfreundliche Lösung, die Kohlendioxid nur mithilfe von Sonnenenergie und Wasser in nützliche Substanzen wie Erdgas umwandelt. Das erzeugte Erdgas kann in unserem täglichen Leben als Kraftstoff für Heiz- und Kühlsysteme sowie Fahrzeuge verwendet werden.
Das Forschungsteam kombinierte Cadmiumselenid, das sichtbares und infrarotes Licht absorbiert, mit Titandioxid – einem Metalloxid und bekannten photokatalytischen Material – um Kohlendioxid mit hoher Effizienz in Erdgas umzuwandeln.
Kristallines Titandioxid mit seiner periodischen Gitterstruktur wurde bereits als photokatalytisches Material untersucht. Aufgrund der regelmäßigen Anordnung der Partikel war die Bildung aktiver Stellen für die dreiwertigen Kationen des Titans (Ti3+) jedoch begrenzt.
Um dieses Problem zu überwinden, verbesserte das Team von Professor In die katalytische Reaktion durch die Verwendung von amorphem Titandioxid, das durch unregelmäßige Partikelanordnungen, denen die Periodizität der Gitterstruktur fehlt, mehr aktive Stellen für Ti3+ bilden kann.
Neben der verbesserten Katalyse ist der Ladungstransferprozess stabil und stellt eine ausreichende Versorgung mit Elektronen für die Reaktion sicher. Dies erleichtert die Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenstoffverbindungen, insbesondere Methanbrennstoff. Im Gegensatz zu herkömmlichen Photokatalysatoren, die hohe Temperaturen zur Regeneration benötigen, können amorphe Katalysatoren außerdem innerhalb einer Minute regeneriert werden, wenn dem Reaktor Sauerstoff ohne Heizung zugeführt wird.
Der neu entwickelte amorphe Titandioxid-Cadmiumselenid-Photokatalysator (TiO2-CdSe) des Forschungsteams behielt nach 18 Stunden Photoreaktion während der ersten 6 Stunden eine Methanumwandlungsleistung von 99,3 % bei und war damit 4,22-mal regenerativer als der kristalline Photokatalysator (C-TiO2-CdSe) mit der gleichen Zusammensetzung.
„Diese Studie ist insofern bedeutsam, als dass wir einen Katalysator mit regenerativen aktiven Stellen entwickelt und durch computergestützte Chemieforschung den Mechanismus identifiziert haben, mit dem Kohlendioxid mithilfe eines amorphen Katalysators in Methan umgewandelt wird“, sagte DGIST-Professor In.
„Wir werden weitere Forschungsarbeiten durchführen, um den Energieverlust des amorphen Photokatalysators zu verbessern und seine Langzeitstabilität für eine künftige Kommerzialisierung der Technologie zu erhöhen“, fügte er hinzu.
Mehr Informationen:
Niket S. Powar et al., Entschlüsselung der Auswirkungen der Dynamik aktiver Ti3+/Ti4+-Stellen auf Reaktionswege bei der direkten CO2-Photoreduktion in der Gas-Feststoff-Phase, Angewandte Katalyse B: Umwelt und Energie (2024). DOI: 10.1016/j.apcatb.2024.124006
Zur Verfügung gestellt von DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology)