Die effiziente Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) – einer der Hauptverbindungen, die zum Klimawandel beitragen – in nützliche Kraftstoffe und Chemikalien ist ein seit langem angestrebtes Forschungsziel. Jüngste Studien haben verschiedene Katalysatoren vorgestellt, die zur Auslösung der sogenannten elektrochemischen CO2-Reduktionsreaktion in Elektrolyseuren (d. h. Geräten, die bestimmte chemische Reaktionen mithilfe von Elektrizität antreiben) eingesetzt werden könnten.
Die CO2-Reduktionsreaktion ist der chemische Prozess, bei dem CO2-Moleküle reduziert werden und letztendlich andere Chemikalien oder Kraftstoffe entstehen. Die meisten Katalysatoren, die bisher zur Auslösung dieser Reaktion in Elektrolyseuren eingesetzt wurden, sind metallischer Art wie Kupfer, Silber und Gold.
Metallbasierte Katalysatoren weisen jedoch oft eine begrenzte Einstellbarkeit auf, was bedeutet, dass ihre Nutzung zur präzisen Reduktion von CO2 in bestimmte chemische Produkte eine Herausforderung sein kann. Einige Studien haben daher das Potenzial alternativer nichtmetallischer Katalysatoren für die Umwandlung von CO2 in wünschenswerte Kraftstoffe und Chemikalien untersucht.
Forscher der Chinese University of Hong Kong, der University of Auckland und der National Yang Ming Chiao Tung University stellten kürzlich einen neuen vielversprechenden Triazol-Molekularkatalysator für die effiziente elektrochemische Reduktion von CO2 zu Methan (CH4) vor. Ein vorläufiges System unter Verwendung dieses Katalysators, vorgestellt in einem Artikel veröffentlicht In NaturenergieEs wurde festgestellt, dass es CO2 zuverlässig in CH4 umwandelt und dabei sowohl eine gute Effizienz als auch eine gute Umsatzfrequenz aufweist.
„Organische molekulare Katalysatoren, die präziser abstimmbar sind als Metallkatalysatoren, sind immer noch nicht in der Lage, CO2 bei industriell relevanten Stromdichten für den Langzeitbetrieb zu Kohlenwasserstoffen zu katalysieren, und der katalytische Mechanismus ist immer noch unklar“, so Zhanyou Xu, Ruihu Lu und ihre Kollegen schrieb in ihrer Arbeit. „Wir berichten über 3,5-Diamino-1,2,4-triazol-basierte Membranelektrodenanordnungen für die CO2-zu-CH4-Umwandlung mit einem Faradayschen Wirkungsgrad von (52 ± 4) % und einer Umsatzfrequenz von 23.060 h−1 bei 250 mA cm.“ −2.“
Die Forscher entwickelten ein erstes System zur CO2-Reduzierung mithilfe ihres auf Triazolmolekülen basierenden Katalysators und untersuchten dessen Leistung in einer Reihe von Tests, bei denen sie es 10 Stunden lang mit einem Strom von 10 A elektrolysierten. Ihre Ergebnisse waren vielversprechend und boten ihnen wertvolle Einblicke in den Prozess, durch den ihr System CO2 in CH4 umwandelte.
„Unsere mechanistischen Studien legen nahe, dass die CO2-Reduktion an der 3,5-Diamino-1,2,4-triazol-Elektrode über die Zwischenstufe *CO2–*COOH–*C(OH)2–*COH abläuft, wodurch CH4 entsteht räumlich verteilte aktive Zentren und das geeignete Energieniveau der Molekülorbitale“, schrieben Xu, Lu und ihre Kollegen. „Eine Pilotanlage, die 10 Stunden lang mit einem Gesamtstrom von 10 A (Stromdichte = 123 mA cm−2) betrieben wird, ist in der Lage, CH4 mit einer Rate von 23,0 mmol h−1 zu produzieren.“
Insgesamt unterstreichen die Ergebnisse dieser aktuellen Studie das Potenzial von Triazol-Molekularkatalysatoren für die skalierbare und selektive Elektroreduktion von CO2. Der von ihnen identifizierte vielversprechende Katalysator, nämlich 3,5-Diamino-1,2,4-triazol (DAT), könnte bald von anderen Forschungsteams weiter untersucht und bewertet werden oder als Inspiration für die Entwicklung ähnlicher Katalysatoren zur Umwandlung von CO2 in andere nützliche Substanzen dienen Chemikalien.
Weitere Informationen:
Zhanyou Xu et al, Elektroreduktion von CO2 zu Methan mit Triazol-Molekularkatalysatoren, Naturenergie (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01645-0.
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