Kann uns die Katalyse vor dem CO2-Problem bewahren?

Der Planet Erde hat ein Kohlendioxidproblem. Täglich hören wir von CO2-Emissionen, die zu steigenden globalen Temperaturen und beispiellosem Klimawandel beitragen. Menschliche Aktivitäten pumpen jedes Jahr schätzungsweise 37,1 Milliarden Tonnen CO2 in die Luft, fast 80% davon stammen direkt aus fossilen Brennstoffen. Während die Emissionen in einigen Industrieländern zurückgehen, zeigt der globale Trend steigender Emissionen kaum Anzeichen einer Verlangsamung – tatsächlich wird 2019 einer der größten Anstiege der atmosphärischen CO2-Werte seit Beginn der Aufzeichnungen erwartet . Wenn die Situation anhält, werden die Chancen, die Ziele des Pariser Abkommens zu erreichen, ins Leere gehen und das Gespenst eines irreversiblen Klimachaos wird zu einer schrecklichen Realität.

Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten an Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen – einschließlich der Erfassung von CO2, das durch die Aktivitäten der Menschheit erzeugt wird. Aber wie können wir das CO2, das als Nebenprodukt so vieler Prozesse entsteht, sinnvoll nutzen? Einige sagen, lagern Sie es unter der Erde, andere schlagen vor, wir sollten es als wertvolle Ressource behandeln, die nicht entsorgt werden sollte. Unternehmen kommerzialisieren bereits Technologien, die das aufgefangene CO2 in Baumaterialien, Düngemittel und sogar Kunststoffe umwandeln. Ein weiterer Vorschlag besteht darin, das Gas direkt für eine verbesserte Ölgewinnung zu verwenden, obwohl die Umweltfreundlichkeit dieser Option zweifelhaft ist.

Ein zunehmend aktives Forschungsgebiet zielt darauf ab, erneuerbaren Strom zu nutzen, um unerwünschtes CO2 in wertvolle Chemikalien umzuwandeln. Die Umwandlung von CO2 in Brennstoffe und Rohstoffe verwandelt nicht nur ein umweltschädliches Abfallprodukt in etwas Nützliches, sondern verringert auch unsere Abhängigkeit von den fossilen Brennstoffen, die es überhaupt erzeugen. ‘Wir versuchen zu sehen, wenn wir mit CO2 als Kohlenstoffquelle anstelle einer Erdölkohlenstoffquelle beginnen, welche Art von Chemie wir tun können und welche Art von Produkten wir herstellen können’, sagt Feng Jiao, der eine Gruppe leitet Erforschung elektrochemischer Geräte zur Kohlenstoffnutzung an der Universität von Delaware.

Das Verfahren funktioniert im Allgemeinen, indem ein konzentrierter CO2-Strom in eine Elektrolysezelle eingespeist wird. Das CO2 wird auf der Oberfläche einer Elektrode reduziert und abhängig von der Anzahl der übertragenen Elektronen kann eine Reihe von Molekülen hergestellt werden. Diese Produkte werden im Elektrolyten gebildet und dann einem Trennsystem zugeführt, während der Elektrolyt und nicht umgesetztes CO2 recycelt werden. Übliche Produkte sind Kohlenmonoxid, Methan und Ameisensäure. Aber auch komplexere – und wertvollere – Produkte wie Ethanol und sogar Propanol sind möglich.

Carbon economy

Jiao hat eine eingehende Analyse der Wirtschaftlichkeit der groß angelegten CO2-Elektroreduktion durchgeführt1 und letztes Jahr vor einem Energieausschuss des US-Senats über das Potenzial der Technologie ausgesagt. Die wichtigsten finanziellen Überlegungen sind der Preis des eingefangenen CO2, die Materialien der Elektrolyseure und ihre Lebensdauer, die Produktreinigung und, entscheidend, die Kosten für den Strom, der den Prozess antreibt. ‘Die Stromkosten sind wirklich bedeutend, sie machen etwa 70% der gesamten Betriebskosten aus’, bemerkt Jiao. Dies bedeutet, dass die elektrokatalytische Umwandlung von CO2 bei weiter sinkenden Stromkosten aus erneuerbaren Quellen zu einer verlockenden Perspektive wird. Aktuelle Modelle deuten darauf hin, dass bei einem Strompreis von £ 0.03 / kWh wird die CO2-Elektroreduktion zu einem wettbewerbsfähigen Weg, um mehrere Produkte herzustellen, die häufiger aus fossilen Brennstoffen stammen. Um dies in Zusammenhang zu bringen, produzieren Onshore-Windprojekte bereits Strom mit weniger als £ 0.05 pro kWh, wobei einige konstant unter dem £ 0.03-Ziel liegen.

Ein weiterer Vorteil der CO2-Reduktion gegenüber z.B. der Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff besteht darin, dass die erzeugten flüssigen Kohlenwasserstoffprodukte in bestehende Energie- und Transportinfrastrukturen eingespeist werden können. Jiao stellt auch fest, dass Elektrolyseur-Technologien, die derzeit im Labor in kleinem Maßstab eingesetzt werden, von Natur aus skalierbar und für CO2-Quellen wie Kraftwerke oder Chemieanlagen geeignet sind. ‘Ich glaube, dass diese Technologie in relativ kurzer Zeit implementiert werden kann’, fügt er hinzu.

Kann die Technologie also die weltweit freigesetzten CO2-Mengen wirklich beeinträchtigen? Jiao schätzt, dass 1,5 Billionen Watt – das entspricht rund 8% der weltweiten Gesamtenergieproduktion – benötigt würden, um das vom US-Energiesektor freigesetzte CO2 allein in die einfachsten Produkte umzuwandeln. ‘Natürlich ist das ein kompliziertes Problem – Sie werden definitiv nicht in der Lage sein, einfach den ganzen Strom zu nehmen und diese Umwandlung durchzuführen, weil andere Orte Strom brauchen’, sagt er. Jiao ist jedoch fest davon überzeugt, dass die Notwendigkeit, keine fossilen Brennstoffe mehr zu verwenden, in Verbindung mit der wachsenden Verfügbarkeit von erneuerbarem Strom eine einzigartige Gelegenheit für elektrochemische Systeme schaffen wird. ‘Aber vergessen Sie nicht, dass die elektrochemische CO2-Umwandlung nur ein Teil des Weges ist, um das Problem der CO2-Emissionen anzugehen’, fügt Jiao hinzu. Er sagt eine Zukunft voraus, in der elektrokatalytische Ansätze Teil einer Reihe von Technologien sind – einschließlich thermochemischer und biologischer Prozesse –, um unsere Emissionsprobleme anzugehen.

Um diese Vision zu verwirklichen, müssen Lösungen für eine Reihe von Problemen gefunden werden. Die Überpotentiale, die für den Antrieb des Prozesses erforderlich sind, müssen sinken, damit weniger Strom benötigt wird, um das CO2 zu reduzieren. Wichtig ist auch die Steigerung der Umwandlungseffizienz – die Umwandlung von mehr CO2, das durch das System fließt, in wertvolle Brennstoffe und Rohstoffe. Diese müssen in hohen Konzentrationen mit minimalen Nebenprodukten gebildet werden, um die finanziellen und energetischen Kosten für die Trennung von Gemischen zu senken. Und die Produkte selbst müssen verbessert werden – durch die Herstellung komplexerer und wertvollerer Chemikalien wird die Technologie wirtschaftlicher und bietet einen höheren Return on Investment. Die jüngsten Fortschritte haben Fortschritte bei all diesen Zielen gemacht und Jiaos Ansicht gestärkt, dass diese Technologie in naher Zukunft rentabel sein wird.

Eine Menge Arbeit geht jetzt in die Erweiterung der Arten von Molekülen, die Sie machen können. ‘Die spannendsten Materialien für die CO2-Elektrolyse-Community sind wahrscheinlich Katalysatoren auf Kupferbasis’, erklärt Jiao. Das liegt daran, dass diese Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen bilden können – so können Sie C2- oder sogar C3-Verbindungen herstellen. Ethylen ist besonders attraktiv, da es zur Herstellung einer Vielzahl von Verbindungen verwendet werden kann, während Ethanol und Propanol als Brennstoffe verwendet werden können.

Oberflächeneffekte

Führende Ansätze erfordern, dass CO2 zunächst zu CO reduziert wird, das dann weiter reagieren kann. Ein zweistufiger Prozess scheint der wahrscheinlichste Weg für Elektrolysetechnologien zu sein. Ein kürzlich veröffentlichter Bericht zeigte jedoch einen Gold- und Kupfer-Tandem-Katalysator, bei dem Goldnanopartikel eine hohe Konzentration an CO erzeugen, das dann durch eine umgebende Kupferfolie weiter zu Alkoholen wie Ethanol und n-Propanol reduziert wird.2 Dieses System ist 100-mal selektiver für C2-Produkte als einzelne Kohlenstoffprodukte wie Methan oder Methanol.

Die Oberflächenstruktur des Katalysators spielt eine entscheidende Rolle. Eine Elektrode, die von den kupfernen nanoparticles auf einem strukturierten graphene-ansässigen Film enthalten wird, wurde gezeigt, um Äthanol vom CO2 in den Selektivitäten zu erzeugen, die so hoch sind, wie 84% und anderswo, Bor-dotierte kupferne Oberflächen auch Show gewesen sind, um Katalysatorstabilität und C2-Produktgeneration zu verbessern. Jiaos Gruppe hat vor kurzem gezeigt, dass vorsichtige Auswahl der kupfernen Oberfläche, die in 2D nanosheets herausgestellt wird, die Bildung von allgemeinen Nebenprodukten beim Erzeugen des Azetats mit hohen Raten und Selektivitäten unterdrücken kann.

Ted Sargent leitet eine Gruppe an der University of Toronto, die die Rolle von Defekten bei der Katalysatorleistung eingehend untersucht hat. Sie haben kürzlich Kupferpartikel mit speziell zugeschnittenen Nanokavitäten entwickelt, die die Bildung von Propanol fördern.3 Die Hohlräume fangen effektiv C2-Zwischenprodukte ein und zwingen einen anderen Kohlenstoff auf sie. Das System erzielte deutlich höhere Propanolselektivitäten als andere Katalysatoren des Standes der Technik. ‘Dies ist ein echter Fortschritt, es ist ein beeindruckend hoher faradaischer Wirkungsgrad für C3-Produkte und es zeigt einen Griff, den Hebel, um die CO-Reduktion auf Drei-Kohlenstoff-Produkte auszurichten’, sagt Sargent. Die Gruppe hat auch gezeigt, dass die Einführung von Adpartikeln – Clustern von niedrig koordinierten Atomen – auf Elektrodenoberflächen ähnlich beeindruckende Ergebnisse liefern kann, und Sargent glaubt, dass weitere Entwicklungen die Produktion von C4 und noch längeren Kohlenstoffketten in Zukunft ermöglichen werden.

Während die Fähigkeit, diese komplexen Produkte herzustellen, ein klarer Vorteil ist, verbessern neue Innovationen auch die Effizienz von Elektrolyseursystemen. Insbesondere Gasdiffusionselektroden überwinden Probleme, die durch die geringe Löslichkeit von CO in wässrigen Elektrolyten entstehen, und ermöglichen höhere Umwandlungsraten. Diese Elektroden enthalten eine poröse Schicht, durch die Gas geleitet wird, bevor es den Katalysator erreicht. Sargents Gruppe demonstrierte einen Katalysator, der aus einer 100 nm dicken Kupferschicht besteht, die auf einer kohlenstoffbasierten Gasdiffusionsschicht abgeschieden ist und die Herstellung von Ethylen aus CO2 mit einer Selektivität von 70% ermöglicht.4 Inzwischen hat Jiaos Team poröse Elektroden in einem System verwendet, das die schnellste gemeldete Elektroreduktion von CO zu Produkten mit einer Länge von zwei Kohlenstoffatomen und darüber hinaus bietet. Selbst in diesem Fall werden jedoch nur 26% des gesamten in die Zelle eintretenden CO in einem einzigen Durchgang umgewandelt.5

Gasfresser

Eine technische Lösung für das Umwandlungsproblem könnte bereits existieren. In einer weiteren aktuellen Studie hat ein Team um Matt Kanan von der Stanford University die in der Brennstoffzellenindustrie verwendete Strömungstechnologie zur Verbesserung der Gasdiffusion umgewidmet. Das Team nutzte ein interdigitales Strömungsfeld, um so viel Gas wie möglich in die Gasdiffusionsschicht der Elektrode in einem System zu drücken, das Natriumacetat aus CO herstellt.

‘ Als erstes haben wir wirklich versucht, den Transport des CO zur Katalysatoroberfläche zu maximieren und gleichzeitig die Produkte aus dem Katalysator wieder herauszuziehen’, erklärt Kanan. ‘Und dann war die zweite große Sache, die wir gemacht haben, dass wir mit der Schnittstelle zwischen der Elektrode und dem Rest der Zelle gespielt haben, um wirklich zu versuchen, die Menge an flüssigem Elektrolyt zu minimieren, so dass wir konzentrierte flüssige Produktströme produzieren konnten’, fügt er hinzu. Das System erreicht eine beeindruckende Umwandlung von 68% des in die Zelle eintretenden CO in einem einzigen Durchgang.

Abgesehen von der Herstellung von Brennstoffen und Rohstoffen für alltägliche Prozesse könnten diese CO2-Elektrolyseure eines Tages Anwendungen in weiteren Bereichen haben. Kanans Gruppe arbeitet mit der Nasa zusammen, um CO2 in Lebens- und Rohstoffe für langfristige Weltraummissionen umzuwandeln. ‘Der Kern unserer Zusammenarbeit ist, dass Sie Mikroben so konstruieren können, dass sie Substrate aufnehmen und alle möglichen Dinge produzieren, die für die Erhaltung des menschlichen Lebens nützlich sind, einschließlich Nahrung, Nährstoffen und Vitaminen’, erklärt Kanan. Aber aus bestimmten Gründen kann man photosynthetische Organismen nicht wirklich verwenden, es ist einfach nicht effizient genug, um eine Photoreaktion im Weltraum zu verwenden.

Um Mikroben unter diesen Bedingungen zu unterstützen, schlägt Kanans Team vor, CO2 zu recyceln, das von Astronauten ausgeatmet wird. ‘Es stellt sich heraus, dass, wenn Sie ein C2-Substrat, insbesondere Acetat, herstellen können, es eine Reihe von Mikroorganismen gibt, die nicht nur wachsen können, sondern Acetat als Kohlenstoff- und Energiequelle für die Biosynthese und für die Herstellung aller möglichen nützlichen Dinge verwenden können’, sagt Kanan.

Obwohl diese Fortschritte vielversprechend sind, gibt es noch viel zu tun. Eine große Sorge ist, dass sich die meisten neuen Forschungen nur auf die Wirkungsgrade auf der Seite der Zelle konzentrieren, auf der die Reduktion stattfindet. Als Gemeinschaft müssen wir anfangen, die Gesamteffizienz der Energieumwandlung zu betrachten, da unsere techno-ökonomischen Modelle alle zeigen, dass Sie 50% überschreiten müssen und die meisten Geräte, die wir melden, im Bereich von 20-30% liegen – und das sind die besten. sagt Sargent. Die Entwicklung von Ansätzen zur Erzielung maximaler Selektivität bei hohen Strömen, aber bei minimaler Spannung, hat nach wie vor eine hohe Priorität.’

Zu zeigen, wie die Systeme dann in größeren Maßstäben konstruiert werden können, und die Haltbarkeit zu demonstrieren, wird ebenfalls eine erhebliche Herausforderung sein. Jiaos Wirtschaftsmodell berücksichtigt kommerzielle CO2-Reduktionssysteme mit einer Lebensdauer von 20 Jahren. ‘Aber im Labor können wir kaum eine Woche testen – da gibt es eine erhebliche Lücke’, sagt er.

Zweifellos gibt es noch Hürden zu überwinden, bevor diese Technologie in großem Maßstab eingesetzt werden kann, aber die Verwendung von sauberem Strom zur Umwandlung von CO2 in Kraftstoffe und Rohstoffe, die schnell in die bestehende Infrastruktur integriert werden können, ist ein wichtiges und erreichbares Ziel. Das Feld zieht großes Interesse aus der Wissenschaft, Start-ups und Regierungsbehörden und Entwicklung in den nächsten Jahren wird entscheidend sein, wenn die Technologie ist es, uns von uns selbst zu retten.