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Kohlendioxid (CO2) ist sowohl eine essenzielle Ressource für das Leben auf der Erde als auch ein Treibhausgas, das zur globalen Erwärmung beiträgt. Wissenschaftler erforschen Kohlendioxid heute als vielversprechende Ressource für die Herstellung erneuerbarer, kohlenstoffarmer Kraftstoffe und hochwertiger chemischer Produkte.
Die Herausforderung für die Forscher besteht darin, effiziente und kostengünstige Wege zu finden, um Kohlendioxid in hochwertige Kohlenstoffzwischenprodukte wie Kohlenmonoxid, Methanol oder Ameisensäure umzuwandeln.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von KK Neuerlin vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) und in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Argonne National Laboratory und des Oak Ridge National Laboratory hat eine vielversprechende Lösung für dieses Problem gefunden. Das Team entwickelte ein Verfahren zur Umwandlung von Kohlendioxid in Ameisensäure mithilfe von erneuerbarem Strom, das sich durch hohe Energieeffizienz und Langlebigkeit auszeichnet.
Die Studie mit dem Titel „Skalierbare Membran-Elektroden-Anordnungsarchitektur für die effiziente elektrochemische Umwandlung von Kohlendioxid in Ameisensäure“ wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Ameisensäure ist ein potenzielles chemisches Zwischenprodukt mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere als Rohstoff in der chemischen und biologischen Industrie. Sie wurde auch als Ausgangsmaterial für die Bioraffination zu sauberem Flugkraftstoff identifiziert.
Bei der Elektrolyse von CO2 kommt es zur Reduktion von CO2 zu chemischen Zwischenprodukten wie Ameisensäure oder Molekülen wie Ethylen, wenn an die Elektrolysezelle ein elektrisches Potenzial angelegt wird.
Die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) in einem Elektrolyseur besteht typischerweise aus einer ionenleitenden Membran (Kationen- oder Anionenaustauschmembran), die zwischen zwei Elektroden eingebettet ist, die aus einem Elektrokatalysator und einem ionenleitenden Polymer bestehen.
Mithilfe der Expertise des Teams in Brennstoffzellentechnologien und Wasserstoffelektrolyse untersuchten sie verschiedene MEA-Konfigurationen in Elektrolysezellen, um die elektrochemische Reduktion von CO2 zu Ameisensäure zu vergleichen.
Auf der Grundlage einer Fehleranalyse verschiedener Konstruktionen versuchte das Team, die Einschränkungen der bestehenden Materialsätze auszunutzen, insbesondere die mangelnde Ionenrückhaltung bei den derzeitigen Anionenaustauschmembranen, und die Gesamtkonstruktion des Systems zu vereinfachen.
Die Erfindung von KS Neierlin und Leiming Hu vom NREL war ein verbesserter MEA-Elektrolyseur mit einer neuen perforierten Kationenaustauschermembran. Diese perforierte Membran ermöglicht eine gleichbleibende und hochselektive Ameisensäureproduktion und vereinfacht die Konstruktion durch die Verwendung handelsüblicher Komponenten.
„Die Ergebnisse dieser Studie stellen einen Paradigmenwechsel in der elektrochemischen Herstellung organischer Säuren wie Ameisensäure dar“, sagte Mitautor Neierlin. „Die perforierte Membranstruktur reduziert die Komplexität bisheriger Konstruktionen und kann auch zur Verbesserung der Energieeffizienz und Lebensdauer anderer elektrochemischer Kohlendioxid-Umwandlungsgeräte eingesetzt werden.“
Wie bei jedem wissenschaftlichen Durchbruch ist es wichtig, die Kostenfaktoren und die wirtschaftliche Machbarkeit zu verstehen. Die NREL-Forscher Zhe Huang und Tao Ling präsentierten in abteilungsübergreifender Zusammenarbeit eine techno-ökonomische Analyse, die Wege aufzeigt, wie Kostenparität mit den heutigen industriellen Ameisensäureproduktionsverfahren erreicht werden kann, wenn die Kosten für erneuerbaren Strom bei oder unter 2,3 Cent pro Kilowattstunde liegen.
„Das Team erzielte diese Ergebnisse mit handelsüblichen Katalysatoren und Polymermembranmaterialien und entwickelte dabei ein MEA-Design, das die Skalierbarkeit moderner Brennstoffzellen und Wasserstoffelektrolyseanlagen ausnutzt“, sagte Neierlin.
„Die Ergebnisse dieser Forschung könnten dazu beitragen, Kohlendioxid mithilfe von erneuerbarem Strom und Wasserstoff in Kraftstoffe und Chemikalien umzuwandeln und so den Übergang zu einer großtechnischen Produktion und Kommerzialisierung zu beschleunigen.“
Elektrochemische Umwandlungstechnologien sind ein Kernelement des NREL-Programms „Electrons to Molecules“, das sich auf erneuerbaren Wasserstoff der nächsten Generation, Nullkraftstoffe, Chemikalien und Materialien für elektrisch angetriebene Prozesse konzentriert.
„Unser Programm erforscht Wege, erneuerbaren Strom zu nutzen, um Moleküle wie Kohlendioxid und Wasser in Verbindungen umzuwandeln, die als Energiequellen dienen können“, sagte Randy Cortright, Direktor der NREL-Strategie für Elektronentransfer und/oder Vorläuferstoffe für die Kraftstoffproduktion oder Chemikalien.“
„Diese Forschung zur elektrochemischen Umwandlung stellt einen Durchbruch dar, der in einer Reihe von elektrochemischen Umwandlungsprozessen Anwendung finden kann, und wir freuen uns auf weitere vielversprechende Ergebnisse dieser Gruppe.“
Weiterführende Informationen: Leiming Hu et al., Scalable membrane electrode assembly architecture for efficient electrochemical conversion of CO2 to amic acid, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
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