Wissenschaftler, die Kohlendioxid in saubere Brennstoffe und nützliche Chemikalien umwandeln möchten, erzeugen häufig Wasserstoffgas und Karbonate als unerwünschte Nebenprodukte. Eine neue Studie der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago hat nun einen saubereren Weg gefunden.
Kohlendioxid ist das Treibhausgas, das allein verantwortlich ist für 78 % der Veränderung der Energiebilanz in der Erdatmosphäre zwischen 1990 und 2022.
Kohlendioxid ist ein Nebenprodukt der Verbrennung fossiler Brennstoffe und gelangt durch Autoabgase und Kohlekraftwerke in die Atmosphäre. Sogar einige erneuerbare Energiequellen produzieren eine kleine Menge Kohlendioxid, allerdings nur einen Bruchteil der Menge, die Kohle und Erdgas erzeugen.
Im Kern ist dieses Molekül nur eine Anordnung aus einem Kohlenstoff- und zwei Sauerstoffatomen, die durch einen Prozess namens elektrochemische Kohlendioxidreduktion (CO2R) in saubere Kraftstoffe und nützliche Chemikalien umgewandelt werden können. Allerdings ist dieser Prozess oft mit Verlust verbunden, da konkurrierende Prozesse die Atome in unerwünschte Richtungen ziehen und so unerwünschte Nebenprodukte erzeugen.
In einem veröffentlichten Artikel heute in Naturkatalysehaben Forscher vom Amanchukwu Lab der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago eine Möglichkeit skizziert, Wassermoleküle so zu manipulieren, dass die CO2R effizienter wird. Das ultimative Ziel besteht in der Schaffung eines sauberen Energiekreislaufs.
Mithilfe der neuen Methode gelang es dem Team, die CO2R unter leicht sauren Bedingungen mit nahezu 100-prozentiger Effizienz durchzuführen, wobei als Katalysatoren entweder Gold oder Zink verwendet wurden.
„Stellen Sie sich vor, wir könnten grünen Strom aus Sonne und Wind gewinnen und diesen Strom dann nutzen, um Kohlendioxid wieder in Kraftstoffe umzuwandeln“, sagt PME-Doktorand Reggie Gomes, Erstautor der neuen Abhandlung.
Mit IHR konkurrieren
Die elektrochemische Zerlegung eines Moleküls ist wie der Eröffnungsstoß beim Billardspiel. Die vorherige Anordnung verschwindet und die Kugeln verteilen sich über den Tisch und kommen in neuen Kombinationen zum Liegen – nicht immer in der vom Spieler beabsichtigten.
In ähnlicher Weise nutzen Forscher, die CO2R durchführen, Elektrizität und Wasser, um das schädliche Treibhausgas aufzuspalten und neu anzuordnen. Dadurch werden Kohlenstoff- und Sauerstoffatome aus dem Kohlendioxid zusammen mit Wasserstoffatomen aus dem Wasser über den Tisch gewirbelt.
Wenn es wie beabsichtigt funktioniert, bilden die Atome andere, wünschenswertere Moleküle, die als Brennstoffe oder Chemikalien verwendet werden können.
Doch wenn die Atome zerstreuen, bilden sich oft stabile Paare aus zwei Wasserstoffatomen, ein Prozess, der als Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) bezeichnet wird. Dies macht die CO2R weniger effizient, da Energie und Atome, die zu Wasserstoffgas werden, nicht Teil der Moleküle sein können, die die Wissenschaftler erzeugen wollten.
Selbst in kleinen Wassermengen konkurriert CO2R immer mit HER.
Das Amanchukwu Lab – das vor allem für seine Batterieforschung bekannt ist – wandte Erkenntnisse aus wässrigen Batterien auf das Problem an und stellte die Hypothese auf, dass die Kontrolle des Wassers mit organischen Lösungsmitteln eine Lösung bieten könnte.
Alles was glitzert
Sowohl CO2R als auch HER sind auf Wasser als Protonenspender angewiesen. Durch die Verwendung organischer Lösungsmittel und Säurezusätze konnte das Team das Verhalten des Wassers anpassen und den optimalen Punkt finden, an dem es die richtige Menge an Protonen abgibt, um die gewünschten Moleküle zu erzeugen, nicht aber Wasserstoffgas und andere unerwünschte Materialien wie Karbonate.
„In der allgemeinen Chemie lernen wir, dass Kohlendioxid mit Hydroxid reagiert und Karbonat bildet. Das ist unerwünscht, weil es das Molekül zerstört, das wir nutzen möchten“, sagt Chibueze Amanchukwu, Assistenzprofessor für Molekulartechnik bei der Neubauer-Familie.
Viele der wirksamsten Methoden zur Durchführung von CO2R basieren auf Edelmetallen.
„Platin, Silber und Gold sind für Forschungszwecke hervorragende Katalysatoren“, sagte Gomes. „Sie sind sehr stabile Materialien. Aber wenn man an industrielle Anwendungen denkt, werden sie zu teuer.“
Durch die gezielte Veränderung des Elektrolyten können mit der neuen Methode unter Einsatz preiswerterer und häufiger vorkommender Materialien ähnliche Ergebnisse erzielt werden.
„Derzeit ist die beste Möglichkeit, dies elektrochemisch bei Raumtemperatur durchzuführen, die Verwendung von Edelmetallen. Gold und Silber können die Wasserstoffentwicklungsreaktion ein wenig unterdrücken“, sagte Amanchukwu. „Aufgrund unserer Entdeckung können wir jetzt ein auf der Erde reichlich vorhandenes Metall, Zink, verwenden, da wir nun eine separate Möglichkeit haben, Wasser zu kontrollieren.“
Mehr Informationen:
Reginaldo J. Gomes et al., Die Modulation der Wasserstoffbrückenbindungen von Wasser in einer nicht-wässrigen Umgebung steuert dessen Reaktivität bei elektrochemischen Transformationen, Naturkatalyse (2024). DOI: 10.1038/s41929-024-01162-z