Ein weit verbreitetes Bodenmineral, α-Eisen(III)-oxyhydroxid, erwies sich als wiederverwendbarer Katalysator für die Photoreduktion von Kohlendioxid zu Ameisensäure. (Bildnachweis: Prof. Kazuhiko Maeda)
Die Photoreduktion von CO2 zu transportfähigen Kraftstoffen wie Ameisensäure (HCOOH) ist ein guter Weg, um dem steigenden CO2-Gehalt in der Atmosphäre entgegenzuwirken. Um diese Aufgabe zu unterstützen, wählte ein Forschungsteam am Tokyo Institute of Technology ein leicht verfügbares eisenbasiertes Mineral aus und brachte es auf einen Aluminiumoxidträger auf, um einen Katalysator zu entwickeln, der CO2 effizient in HCOOH umwandeln kann – mit einer Selektivität von etwa 90 %!
Elektrofahrzeuge sind für viele Menschen eine attraktive Option, vor allem weil sie keine CO₂-Emissionen verursachen. Ein großer Nachteil ist jedoch die geringe Reichweite und die langen Ladezeiten. Hier haben flüssige Kraftstoffe wie Benzin einen großen Vorteil. Ihre hohe Energiedichte ermöglicht große Reichweiten und schnelles Betanken.
Der Wechsel von Benzin oder Diesel zu einem anderen flüssigen Kraftstoff kann die Kohlenstoffemissionen eliminieren und gleichzeitig die Vorteile flüssiger Kraftstoffe erhalten. In einer Brennstoffzelle kann beispielsweise Ameisensäure einen Motor antreiben und dabei Wasser und Kohlendioxid freisetzen. Wird Ameisensäure jedoch durch die Reduktion von atmosphärischem CO₂ zu Ameisensäure (HCOOH) hergestellt, ist Wasser das einzige Nettoprodukt.
Der steigende Kohlendioxidgehalt in unserer Atmosphäre und sein Beitrag zur globalen Erwärmung sind mittlerweile allgegenwärtig. Während Forscher mit verschiedenen Lösungsansätzen experimentierten, kristallisierte sich eine effektive Lösung heraus – die Umwandlung von überschüssigem Kohlendioxid in der Atmosphäre in energiereiche Chemikalien.
Die Herstellung von Brennstoffen wie Ameisensäure (HCOOH) durch die Photoreduktion von CO₂ mit Sonnenlicht hat in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit erregt, da das Verfahren einen doppelten Nutzen bietet: Es reduziert überschüssige CO₂-Emissionen und trägt gleichzeitig dazu bei, die gegenwärtige Energieknappheit zu verringern. Als hervorragender Träger für Wasserstoff mit hoher Energiedichte kann HCOOH durch Verbrennung Energie liefern, wobei lediglich Wasser als Nebenprodukt entsteht.
Um diese vielversprechende Lösung zu realisieren, haben Wissenschaftler photokatalytische Systeme entwickelt, die Kohlendioxid mithilfe von Sonnenlicht reduzieren. Dieses System besteht aus einem lichtabsorbierenden Substrat (einem Photosensibilisator) und einem Katalysator, der den für die Reduktion von CO₂ zu Ameisensäure (HCOOH) notwendigen Mehrfachelektronentransfer ermöglicht. Und so begann die Suche nach geeigneten und effizienten Katalysatoren!
Infografik zur photokatalytischen Reduktion von Kohlendioxid mithilfe gängiger Verbindungen. Bildnachweis: Professor Kazuhiko Maeda
Aufgrund ihrer Effizienz und potenziellen Wiederverwertbarkeit gelten Feststoffkatalysatoren als die besten Kandidaten für diese Aufgabe. Im Laufe der Jahre wurden die katalytischen Eigenschaften vieler metallorganischer Gerüstverbindungen (MOFs) auf Kobalt-, Mangan-, Nickel- und Eisenbasis untersucht, wobei letztere einige Vorteile gegenüber anderen Metallen aufweisen. Die meisten bisher beschriebenen eisenbasierten Katalysatoren produzieren jedoch lediglich Kohlenmonoxid als Hauptprodukt, nicht aber Ameisensäure (HCOOH).
Dieses Problem wurde jedoch schnell von einem Forscherteam des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) unter der Leitung von Professor Kazuhiko Maeda gelöst. In einer kürzlich in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlichten Studie demonstrierte das Team einen auf Aluminiumoxid (Al₂O₃) geträgerten Eisenkatalysator mit α-Eisen(III)-oxyhydroxid (α-FeO₂OH; Goethit). Der neuartige α-FeO₂OH/Al₂O₃-Katalysator zeigt eine hervorragende CO₂-zu-Ameisensäure-Umwandlung und ist gut wiederverwendbar. Auf die Frage nach der Wahl des Katalysators erklärte Professor Maeda: „Wir möchten häufiger vorkommende Elemente als Katalysatoren in Systemen zur CO₂-Photoreduktion erforschen. Wir benötigen einen Feststoffkatalysator, der aktiv, wiederverwendbar, ungiftig und kostengünstig ist. Deshalb haben wir für unsere Experimente weit verbreitete Bodenmineralien wie Goethit gewählt.“
Das Team verwendete eine einfache Imprägnierungsmethode zur Synthese seines Katalysators. Anschließend nutzten sie eisenhaltige Al2O3-Materialien, um CO2 bei Raumtemperatur in Gegenwart eines Ruthenium-basierten (Ru) Photosensibilisators, eines Elektronendonators und sichtbarem Licht mit Wellenlängen über 400 Nanometern photokatalytisch zu reduzieren.
Die Ergebnisse sind sehr ermutigend. Die Selektivität ihres Systems für das Hauptprodukt HCOOH lag bei 80–90 % mit einer Quantenausbeute von 4,3 % (was die Effizienz des Systems verdeutlicht).
Diese Studie präsentiert einen neuartigen, eisenbasierten Feststoffkatalysator, der in Kombination mit einem effizienten Photosensibilisator Ameisensäure (HCOOH) erzeugen kann. Außerdem wird die Bedeutung eines geeigneten Trägermaterials (Al2O3) und dessen Einfluss auf die photochemische Reduktionsreaktion erörtert.
Die Erkenntnisse dieser Forschung könnten zur Entwicklung neuer edelmetallfreier Katalysatoren für die Photoreduktion von Kohlendioxid zu anderen nützlichen Chemikalien beitragen. „Unsere Forschung zeigt, dass der Weg zu einer grünen Energiewirtschaft nicht kompliziert ist. Selbst einfache Katalysatorherstellungsverfahren können hervorragende Ergebnisse liefern, und es ist bekannt, dass häufig vorkommende Verbindungen, wenn sie auf Trägermaterialien wie Aluminiumoxid aufgebracht werden, als selektive Katalysatoren für die CO₂-Reduktion eingesetzt werden können“, so Prof. Maeda abschließend.
Referenzen: „Alumina-Supported Alpha-Iron (III) Oxyhydroxide as a Recycleable Solid Catalyst for CO2 Photoreduction under Visible Light“ von Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof. 12. Mai 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / ange.202204948
„Hier liegt der große Vorteil von flüssigen Kraftstoffen wie Benzin. Ihre hohe Energiedichte ermöglicht große Reichweiten und schnelles Auftanken.“
Wie wäre es mit ein paar Zahlen? Wie verhält sich die Energiedichte von Ameisensäure im Vergleich zu Benzin? Mit nur einem Kohlenstoffatom in der chemischen Formel bezweifle ich, dass sie auch nur annähernd an die von Benzin herankommt.
Hinzu kommt, dass der Geruch sehr giftig ist und Ameisensäure als Säure korrosiver wirkt als Benzin. Das sind zwar keine unlösbaren technischen Probleme, aber solange Ameisensäure keine signifikanten Vorteile hinsichtlich Reichweitenerhöhung und Ladezeit der Batterie bietet, lohnt sich der Aufwand wahrscheinlich nicht.
Wenn sie planten, Goethit aus dem Boden zu gewinnen, wäre dies ein energieintensiver Bergbaubetrieb und möglicherweise umweltschädlich.
Möglicherweise erwähnen sie viel Goethit im Boden, da ich vermute, dass es mehr Energie erfordern würde, die notwendigen Rohstoffe zu gewinnen und diese zur Synthese von Goethit reagieren zu lassen.
Es ist notwendig, den gesamten Lebenszyklus des Prozesses zu betrachten und die Energiekosten aller Schritte zu berechnen. Die NASA hat festgestellt, dass es keine kostenlosen Starts gibt. Andere sollten dies ebenfalls berücksichtigen.
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