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Katalysator produziert nützliche Kohlenwasserstoffe und entfernt CO2

Verbesserter Elektrolyseur

In dem verbesserten Elektrolyseur findet die Reaktion in einer dünnen Schicht statt, die einen Katalysator auf Kupferbasis mit Nafion, einem ionenleitenden Polymer, kombiniert. Die einzigartige Anordnung dieser Materialien bietet eine 10-mal höhere Reaktionsgeschwindigkeit als frühere Konstruktionen. Bildnachweis: U of T Engineering / Daria Perevezentsev

Wasser wird durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten, aber wenn CO2 wird der Mischung ebenfalls zugesetzt, können Verbindungen erzeugt werden, um Textilien, Windeln und sogar Spirituosen herzustellen. Amerikanische Wissenschaftler, angeführt von einem Spanier, haben einen Katalysator entwickelt, der diese Reaktion beschleunigt und gleichzeitig ein Treibhausgas entfernt.

Ein Forscherteam aus Kanada und den USA hat einen Katalysator entwickelt, der Kohlendioxid schnell und effizient in einfache Chemikalien umwandelt. Auf diese Weise wandeln sie das wichtigste Treibhausgas in nützliche Produkte für die Industrie um.

„Die Technologie von Wasserelektrolyseuren ist bekannt: Sie wandeln Wasser und Elektrizität in Wasserstoff und Sauerstoff um, aber in unserem Fall fügen wir CO hinzu2 Anstatt Wasserstoff zu produzieren, können wir verschiedene Kohlenwasserstoffe wie Ethylen erzeugen, die weltweit am häufigsten verwendete organische Verbindung “, sagte der Forscher F. Pelayo García de Arquer von der Universität von Toronto (Kanada) SINC.

“So können wir Rohstoffe für die Herstellung von Produkten wie Baumaterialien, Textilien, Farben, Komponenten elektronischer Geräte, Windeln … oder sogar Spirituosen erhalten”, erklärt er.

Ted Sargents Lab

Ingenieure der University of Toronto, die das neue katalytische Gerät bedienen. Von links nach rechts: Adnan Ozden, Joshua Wicks und F. Pelayo García de Arquer gehören zu den Teammitgliedern, die einen Elektrolyseur entwickelt haben, der CO2 zehnmal schneller als frühere Versionen in wertvolle Produkte umwandelt. Bildnachweis: U of T Engineering / Daria Perevezentsev

Der Schlüssel zum neuen Gerät ist eine Polymerbeschichtung, die den Transport von CO erleichtert2 durch die Oberfläche des Metalls oder der Elektrode des Katalysators. Kohlendioxid hat im Allgemeinen Schwierigkeiten, in wässrige Lösungen einzudringen und die gesamte Oberfläche dieses Materials zu erreichen. Wenn also der Elektronenfluss (elektrischer Strom) erhöht wird, um die Reaktion durchzuführen, gibt es nicht genug CO2 verwandelt werden.

Aber die Autoren, die ihre Studie in veröffentlicht haben Wissenschaft zeigen, dass diese Einschränkung überwunden werden kann: „Wir haben festgestellt, dass eine bestimmte Konfiguration von Ionomeren (Polymere, die Ionen und Wasser zum Katalysator leiten) es uns ermöglicht, die Leichtigkeit, mit der CO auftritt, erheblich zu erhöhen2 wird entlang der katalytischen Oberfläche verteilt, wodurch wir eine höhere Produktivität erzielen können “, betont García de Arquer.

Diese Ionomerbeschichtung enthält hydrophobe (wasserabweisende) und hydrophile (wasseranziehende) Teile und ist zu einer ultradünnen Schicht von etwa 10 Nanometern zusammengefasst, die dazu beiträgt, die Reaktion vom CO aus aufrechtzuerhalten2 Gas und der Wasserstoff im Wasser (H + Protonen) wird der Kohlenwasserstoff aufgebaut.

Mehr als ein Ampere pro cm2

„Vor ungefähr zwei Jahren hat CO2 Elektrolysesysteme waren auf elektrische Leistungen oder Ströme von mehreren zehn Milliampere pro Quadratzentimeter beschränkt, was bedeutet, dass nur wenige Moleküle dieses Gases in etwas Nützliches umgewandelt werden können “, sagt der Forscher,„ aber unsere Entdeckung ermöglicht es ihnen, mit Strömen von hundert zu arbeiten mal höher, mehr als ein Ampere pro Quadratzentimeter. Auf diese Weise viel mehr CO2 Moleküle können transformiert werden und Aktivitäten erreichen, die vor einigen Jahren undenkbar waren. “

Ein weiterer Vorteil, den García de Arquer hervorhebt, ist, dass die für den Prozess benötigte Stromquelle „perfekt erneuerbar sein kann, wie Sonnen-, Wind- oder Hydraulik, so dass auch erneuerbare Kohlenwasserstoffe gebaut werden können“.

Die Forscher arbeiten nun daran, die Effizienz des Systems und seine Stabilität weiter zu steigern, die, obwohl sie jetzt etwa zehn Stunden beträgt, noch weit von den Tausenden von Betriebsstunden der Wasserelektrolyseure entfernt ist.

Weitere Informationen zu dieser Forschung finden Sie unter Innovative „Umkehrbrennstoffzelle“ wandelt CO2-Abfall 10-mal schneller in wertvolle Chemikalien um.

Referenz: „CO2 Elektrolyse zu Multikohlenstoffprodukten bei Aktivitäten größer als 1 A cm−2”Von F. Pelayo García de Arquer, Cao-Thang Dinh, Adnan Ozden, Joshua Wicks, Christopher McCallum, Ahmad R. Kirmani, Dae-Hyun Nam, Christine Gabardo, Ali Seifitokaldani, Xue Wang, Yuguang C. Li, Fengwang Li, Jonathan Edwards, Lee J. Richter, David Sinton, Steven J. Thorpe und Edward H. Sargent, 7. Februar 2020, Wissenschaft.
DOI: 10.1126 / science.aay4217