Ein kostengünstiger Katalysator auf Zinnbasis kann Kohlendioxid selektiv in drei weit verbreitete Chemikalien umwandeln – Ethanol, Essigsäure und Ameisensäure.
In den Emissionen vieler Industriebetriebe lauert eine ungenutzte Ressource: Kohlendioxid (CO2). Kohlendioxid ist ein Verursacher von Treibhausgasen und der globalen Erwärmung. Es könnte jedoch aufgefangen und in hochwertige Chemikalien umgewandelt werden.
In einem Gemeinschaftsprojekt, an dem das Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE), die Northern Illinois University und die Valparaiso University beteiligt sind, berichten Wissenschaftler über eine Familie von Katalysatoren, die CO2 effizient in Ethanol, Essigsäure oder Ameisensäure umwandeln. Diese flüssigen Kohlenwasserstoffe gehören zu den am häufigsten produzierten Chemikalien in den USA und sind in vielen kommerziellen Produkten enthalten. Ethanol ist beispielsweise ein wichtiger Bestandteil zahlreicher Haushaltsprodukte und ein Zusatz zu fast allen US-Benzinen.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Zeitschrift der American Chemical Society.
Die Katalysatoren basieren auf Zinnmetall, das auf einem Kohlenstoffträger abgeschieden ist. „Wenn unsere Katalysatoren vollständig entwickelt sind, könnten sie das in verschiedenen industriellen Quellen erzeugte CO2 in wertvolle Chemikalien umwandeln“, sagte Di-Jia Liu. „Zu diesen Quellen gehören Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen sowie Anlagen zur Biovergärung und Abfallbehandlung.“ Liu ist leitender Chemiker am Argonne und leitender Wissenschaftler an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago.
Die vom Team verwendete Methode heißt elektrokatalytische Umwandlung, was bedeutet, dass die CO2-Umwandlung über einen Katalysator durch Elektrizität angetrieben wird. Durch Variation der Größe des verwendeten Zinns von einzelnen Atomen über ultrakleine Cluster bis hin zu größeren Nanokristalliten konnte das Team die CO2-Umwandlung in Essigsäure, Ethanol bzw. Ameisensäure steuern. Die Selektivität für jede dieser Chemikalien betrug 90 % oder mehr. „Unsere Feststellung, dass sich der Reaktionsweg durch die Katalysatorgröße ändert, ist beispiellos“, sagte Liu.
Computergestützte und experimentelle Studien lieferten mehrere Einblicke in die Reaktionsmechanismen, die die drei Kohlenwasserstoffe bilden. Eine wichtige Erkenntnis war, dass sich der Reaktionsweg völlig ändert, wenn das bei der Umwandlung verwendete normale Wasser durch deuteriertes Wasser ersetzt wird (Deuterium ist ein Isotop von Wasserstoff). Dieses Phänomen ist als kinetischer Isotopeneffekt bekannt. Dies wurde bisher bei der CO2-Umwandlung noch nie beobachtet.
Diese Forschung profitierte von zwei Nutzereinrichtungen des DOE Office of Science in Argonne – der Advanced Photon Source (APS) und dem Center for Nanoscale Materials (CNM).
„Mit den am APS verfügbaren harten Röntgenstrahlen haben wir die chemischen und elektronischen Strukturen der Zinn-basierten Katalysatoren mit unterschiedlichen Zinnbeladungen erfasst“, sagte Chengjun Sun, ein Argonne-Physiker. Darüber hinaus konnte die hohe räumliche Auflösung, die mit einem Transmissionselektronenmikroskop am CNM möglich ist, die Anordnung der Zinnatome, von einzelnen Atomen bis hin zu kleinen Clustern, mit den unterschiedlichen Katalysatorbeladungen direkt abbilden.
Laut Liu „besteht unser oberstes Ziel darin, lokal erzeugten Strom aus Wind- und Solarenergie zu nutzen, um gewünschte Chemikalien für den lokalen Verbrauch herzustellen.“
Dazu müssten die neu entdeckten Katalysatoren in einen Niedertemperatur-Elektrolyseur integriert werden, um die CO2-Umwandlung mit Strom aus erneuerbaren Energien durchzuführen. Niedertemperatur-Elektrolyseure können bei nahezu Umgebungstemperatur und -druck betrieben werden. Dies ermöglicht ein schnelles Starten und Stoppen, um die intermittierende Versorgung mit erneuerbarer Energie auszugleichen. Es ist eine ideale Technologie für diesen Zweck.
„Wenn wir selektiv nur die benötigten Chemikalien in der Nähe des Standorts produzieren können, können wir dazu beitragen, die CO2-Transport- und Lagerkosten zu senken“, bemerkte Liu. „Es wäre wirklich eine Win-Win-Situation für die lokalen Anwender unserer Technologie.“
Mehr Informationen:
Haiping Zeitschrift der American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.3c12722