Studie schlägt energieeffizienten Weg zur Abscheidung und Umwandlung von Kohlendioxid vor

Im Wettlauf um die Reduzierung der Treibhausgasemissionen auf der ganzen Welt suchen Wissenschaftler am MIT nach Technologien zur CO2-Abscheidung, um die hartnäckigsten industriellen Emittenten zu dekarbonisieren.

Die Stahl-, Zement- und Chemieindustrie sind besonders schwer zu dekarbonisierende Branchen, da Kohlenstoff und fossile Brennstoffe inhärente Bestandteile ihrer Produktion sind. Technologien, die Kohlenstoffemissionen einfangen und in Formen umwandeln können, die in den Produktionsprozess zurückgeführt werden, könnten dazu beitragen, die Gesamtemissionen aus diesen „schwer zu reduzierenden“ Sektoren zu reduzieren.

Bisher handelt es sich bei experimentellen Technologien zur Abscheidung und Umwandlung von Kohlendioxid jedoch um zwei getrennte Prozesse, für deren Ausführung wiederum eine enorme Energiemenge erforderlich ist. Das MIT-Team möchte die beiden Prozesse in einem integrierten und weitaus energieeffizienteren System kombinieren, das möglicherweise mit erneuerbarer Energie betrieben werden könnte, um Kohlendioxid aus konzentrierten industriellen Quellen sowohl abzufangen als auch umzuwandeln.

In einem Studie gerade veröffentlicht In ACS-Katalysedecken die Forscher die verborgene Funktionsweise auf, wie Kohlendioxid durch einen einzigen elektrochemischen Prozess sowohl eingefangen als auch umgewandelt werden kann. Bei diesem Verfahren wird mithilfe einer Elektrode das aus einem Sorptionsmittel freigesetzte Kohlendioxid angezogen und in eine reduzierte, wiederverwendbare Form umgewandelt.

Andere haben über ähnliche Demonstrationen berichtet, aber die Mechanismen, die die elektrochemische Reaktion antreiben, blieben unklar. Das MIT-Team führte umfangreiche Experimente durch, um diesen Treiber zu bestimmen, und stellte fest, dass es letztendlich auf den Partialdruck von Kohlendioxid ankam. Mit anderen Worten: Je mehr reines Kohlendioxid mit der Elektrode in Kontakt kommt, desto effizienter kann die Elektrode das Molekül einfangen und umwandeln.

Die Kenntnis dieses Haupttreibers bzw. der „aktiven Spezies“ kann Wissenschaftlern dabei helfen, ähnliche elektrochemische Systeme abzustimmen und zu optimieren, um Kohlendioxid in einem integrierten Prozess effizient einzufangen und umzuwandeln.

Die Ergebnisse der Studie deuten darauf hin, dass diese elektrochemischen Systeme zwar wahrscheinlich nicht für sehr verdünnte Umgebungen funktionieren würden (z. B. um Kohlenstoffemissionen direkt aus der Luft einzufangen und umzuwandeln), aber besonders für die hochkonzentrierten Emissionen, die durch industrielle Prozesse erzeugt werden, gut geeignet wären diejenigen, die keine offensichtliche erneuerbare Alternative haben.

„Wir können und sollten bei der Stromerzeugung auf erneuerbare Energien umsteigen. Aber die tiefgreifende Dekarbonisierung von Industrien wie der Zement- oder Stahlproduktion ist eine Herausforderung und wird länger dauern“, sagt Studienautorin Betar Gallant, außerordentliche Professorin für Karriereentwicklung der Klasse von 1922 am MIT. „Selbst wenn wir alle unsere Kraftwerke abschaffen, brauchen wir einige Lösungen, um kurzfristig mit den Emissionen anderer Industrien umzugehen, bevor wir sie vollständig dekarbonisieren können. Hier sehen wir einen Sweet Spot, wo so etwas wie dieses System könnte.“ fit.“

Die MIT-Co-Autoren der Studie sind der Hauptautor und Postdoktorand Graham Leverick und die Doktorandin Elizabeth Bernhardt sowie Aisyah Illyani Ismail, Jun Hui Law, Arif Arifutzzaman und Mohamed Kheireddine Aroua von der Sunway University in Malaysia.

Bindungen brechen

Technologien zur Kohlenstoffabscheidung dienen dazu, Emissionen oder „Rauchgase“ aus den Schornsteinen von Kraftwerken und Produktionsanlagen aufzufangen. Dies geschieht hauptsächlich durch große Nachrüstungen, um Emissionen in Kammern zu leiten, die mit einer „Einfanglösung“ gefüllt sind – einer Mischung aus Aminen oder Verbindungen auf Ammoniakbasis, die sich chemisch mit Kohlendioxid verbinden und so eine stabile Form erzeugen, die vom Rest abgetrennt werden kann des Rauchgases.

Anschließend werden hohe Temperaturen angewendet, typischerweise in Form von mit fossilen Brennstoffen erzeugtem Dampf, um das eingefangene Kohlendioxid aus seiner Aminbindung zu lösen. In seiner reinen Form kann das Gas dann in Lagertanks oder unter Tage gepumpt, mineralisiert oder weiter in Chemikalien oder Kraftstoffe umgewandelt werden.

„Kohlenstoffabscheidung ist eine ausgereifte Technologie, da die Chemie seit etwa 100 Jahren bekannt ist, aber sie erfordert wirklich große Anlagen und ist recht teuer und energieintensiv im Betrieb“, bemerkt Gallant. „Was wir wollen, sind Technologien, die modularer und flexibler sind und an vielfältigere Kohlendioxidquellen angepasst werden können. Elektrochemische Systeme können dabei helfen, dieses Problem anzugehen.“

Ihre Gruppe am MIT entwickelt ein elektrochemisches System, das das eingefangene Kohlendioxid zurückgewinnt und es in ein reduziertes, nutzbares Produkt umwandelt. Ein solches integriertes System könnte statt eines entkoppelten Systems vollständig mit erneuerbarem Strom statt mit aus fossilen Brennstoffen gewonnenem Dampf betrieben werden, sagt sie.

Ihr Konzept konzentriert sich auf eine Elektrode, die in bestehende Kammern von Kohlenstoffabscheidungslösungen passt. Wenn an die Elektrode eine Spannung angelegt wird, fließen Elektronen auf die reaktive Form von Kohlendioxid und wandeln es mithilfe von aus Wasser zugeführten Protonen in ein Produkt um. Dadurch steht das Sorptionsmittel zur Verfügung, um mehr Kohlendioxid zu binden, anstatt dafür Dampf zu verwenden.

Gallant hat zuvor gezeigt, dass dieser elektrochemische Prozess dazu beitragen kann, Kohlendioxid einzufangen und in eine feste Carbonatform umzuwandeln.

„Wir haben gezeigt, dass dieser elektrochemische Prozess in sehr frühen Konzepten machbar war“, sagt sie. „Seitdem gab es weitere Studien, die sich darauf konzentrierten, dieses Verfahren zur Herstellung nützlicher Chemikalien und Kraftstoffe zu nutzen. Aber es gab unter der Haube widersprüchliche Erklärungen darüber, wie diese Reaktionen funktionieren.“

Solo CO2

In der neuen Studie nahm das MIT-Team ein Vergrößerungsglas unter die Haube, um die spezifischen Reaktionen herauszufinden, die den elektrochemischen Prozess antreiben. Im Labor stellten sie Aminlösungen her, die den industriellen Abscheidungslösungen ähneln, die zur Extraktion von Kohlendioxid aus Rauchgasen verwendet werden.

Sie veränderten methodisch verschiedene Eigenschaften jeder Lösung, etwa den pH-Wert, die Konzentration und die Art des Amins, und ließen dann jede Lösung an einer Elektrode aus Silber vorbeilaufen – einem Metall, das häufig in Elektrolysestudien verwendet wird und bekanntermaßen Kohlendioxid effizient in Kohlenstoff umwandelt Monoxid. Anschließend maßen sie die Konzentration des umgewandelten Kohlenmonoxids am Ende der Reaktion und verglichen diese Zahl mit der aller anderen von ihnen getesteten Lösungen, um herauszufinden, welcher Parameter den größten Einfluss darauf hatte, wie viel Kohlenmonoxid produziert wurde.

Am Ende stellten sie fest, dass es nicht, wie viele vermutet hatten, auf die Art des Amins ankam, das zunächst zur Kohlendioxidabscheidung verwendet wurde. Stattdessen war es die Konzentration einzelner, frei schwebender Kohlendioxidmoleküle, die eine Bindung mit Aminen vermieden, aber dennoch in der Lösung vorhanden waren. Dieses „Solo-CO2“ bestimmte die letztendlich erzeugte Kohlenmonoxidkonzentration.

„Wir haben herausgefunden, dass es einfacher ist, dieses ‚Solo‘-CO2 zu reagieren, als CO2, das durch das Amin eingefangen wurde“, bietet Leverick an. „Dies sagt zukünftigen Forschern, dass dieser Prozess für Industrieströme machbar sein könnte, wo hohe Konzentrationen von Kohlendioxid effizient aufgefangen und in nützliche Chemikalien und Kraftstoffe umgewandelt werden könnten.“

„Dies ist keine Entfernungstechnologie, und das muss unbedingt betont werden“, betont Gallant. „Der Wert, den es mit sich bringt, besteht darin, dass es uns ermöglicht, Kohlendioxid mehrmals zu recyceln und gleichzeitig bestehende Industrieprozesse aufrechtzuerhalten, was zu weniger damit verbundenen Emissionen führt. Letztendlich träume ich davon, dass elektrochemische Systeme verwendet werden können, um die Mineralisierung und dauerhafte Speicherung zu erleichtern.“ CO2 – eine echte Entfernungstechnologie. Das ist eine längerfristige Vision. Und viele der wissenschaftlichen Erkenntnisse, die wir zu verstehen beginnen, sind ein erster Schritt zur Gestaltung dieser Prozesse.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.