Selektive Herstellung von Ethanol und Ethylen aus CO2
Die Eindämmung der CO2-Anreicherung in der Atmosphäre und ihrer Auswirkungen auf das Klima ist für die Gesundheit unseres Planeten und das Wohlergehen seiner Menschen unerlässlich. Dekarbonisierung, Kohlenstoffbindung und Kohlenstoffrecycling werden wahrscheinlich alle eine wichtige Rolle spielen. Die CO2-Reduktion während der Fotosynthese ist die Art und Weise, wie die Natur den atmosphärischen Kohlenstoff recycelt, um Energie zu speichern und freizusetzen und um andere Moleküle herzustellen. In der Industrie stellt die elektrochemische CO2-Reduktionsreaktion (CO2RR) eine von mehreren vielversprechenden Strategien dar. Sie kann zur Herstellung hochwertiger kohlenstoffhaltiger Brennstoffe und Chemikalien wie Kohlenmonoxid (CO), Ethanol und Ethylen verwendet werden. Obwohl die Grundlagen des CO2-Reduktionsreaktionprozesses im Labormaßstab etabliert wurden, waren technische Optimierungen erforderlich, um kommerziell nutzbare Geräte herzustellen. Das EU-finanzierte Projekt SELECTCO2 befasste sich mit diesem dringenden Bedarf. Es verbesserte die Selektivität und Effizienz des Prozesses und erhöhte gleichzeitig die Haltbarkeit der Gerätekomponenten.
CO2-Reduzierung mindert die CO2-Akkumulation und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen
CO wird in der Regel durch Dampfreformierung von Erdgas und Ethylen durch Aufspaltung langkettiger Kohlenwasserstoffe in fossilen Brennstoffen erzeugt. Bei der Vergärung von Biomasse wird für jedes erzeugte Ethanolmolekül ein CO2-Molekül freigesetzt. Projektkoordinator Brian Seger von der Technischen Universität Dänemark erklärt: „Unser Prozess beginnt mit 100 % CO2 und wandelt dann mithilfe von Strom und Wasser CO2 in nützliche Moleküle um. CO ist ein Zwischenprodukt bei der Umwandlung von CO2 in Ethanol und Ethylen. Wenn wir also mit CO beginnen, überspringen wir praktisch einen Schritt. Daher sind CO-haltige Abluftströme von Vorteil. Die Erkenntnisse unseres Industriebeiratsmitglieds Tata Steel waren sehr wertvoll, da bei der Stahlherstellung erhebliche Mengen an CO2 und CO anfallen.“
CO2RR-Gerät im Hinblick auf die Kommerzialisierung optimieren
SELECTCO2 hat sich zum Ziel gesetzt, bessere CO2-Elektrolysegeräte herzustellen. Dazu verbessert es die Leistung des Katalysators, der Gasdiffusionsschicht und der Membran sowie deren Integration. Ein skalenübergreifendes Stofftransportmodell trug maßgeblich zur verbesserten Kommerzialiserung des Geräts bei. „Wir haben die Reaktionsmechanismen entdeckt, die eine Trennung der Ethanol- von der Ethylenproduktion erschweren, was unsere Schwierigkeiten bei der Erzielung einer guten Katalysatorselektivität erklärt. Außerdem haben wir den Verzweigungspunkt bestimmt, an dem die Reaktion entweder zu Ethanol oder zu Ethylen führt. Das ist ein großer Vorteil für die Zukunft, denn so können wir untersuchen, wie sich die Selektivität verschieben lässt“, so Seger. In der Zwischenzeit können thermische katalytische Prozesse leicht zwischen diesen Spezies wechseln, indem sie entweder Wasser zu Ethylen hinzufügen oder es aus Ethanol entfernen. Die Kombination aus experimentellen und rechnerischen Studien führte zu einer fruchtbaren Optimierung der Geräte. Vor SELECTCO2 erreichte die CO2RR in Elektrolysezellen typischerweise Stromdichten um 10 mA/cm2 für einstündige Experimente im Labormaßstab. SELECTCO2 hat dies mit Stromdichten von mehr als 200 mA/cm2 – die sogar mehr als 1 000 mA/cm2 erreichen – und mehr als 100 Stunden Dauer enorm verbessert. „Wir haben erstklassige Anionenaustauschermembranen entwickelt, die genauso leitfähig wie kommerzielle Membranen sind, aber bei höheren Temperaturen arbeiten können und mechanisch robuster sind. Unsere Gasdiffusionselektroden zeigten eine hervorragende Leistung im Vergleich zu kommerziellen Richtwerten und wir arbeiten daran, sie zu patentieren. Schließlich haben wir die Aktivität unserer CO2-zu-CO-Elektrokatalysatoren durch die Verwendung von singulär aktiven Katalysatoren erfolgreich verbessert. Sie gehören heute zu den aktivsten und selektivsten“, erklärt Seger. Dieser Leistungssprung bringt die nachhaltige CO2-reduzierende CO2RR-Elektrolyse aus dem Labor heraus und näher an den Markt.
Schlüsselbegriffe
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