- Wissenschaftler der Yale University kombinieren Plasma und Elektrizität, um Kohlendioxid in Chemikalien umzuwandeln.
- Das Verfahren kann Mehrkohlenstoffprodukte erzeugen, die für die chemische Industrie sehr nützlich sind.
- Die Forschung schlägt eine Drei-Phasen-Grenzfläche vor, um die Einschränkungen der Wechselwirkung zwischen Plasma und Wasser zu überwinden.
- Das System arbeitet bei Raumtemperatur und Normaldruck, was die kommerzielle Anwendung erleichtert.
Wissenschaftler der Yale University haben ein System entwickelt, das Plasma und Elektrizität kombiniert, um Kohlendioxid (CO2) in wertvolle Chemikalien umzuwandeln, darunter Methanol und Butan. Die Forschung wird von Dr. Lea Winter geleitet, Assistenzprofessorin für Chemie- und Umwelttechnik an der Yale University. Winter und ihr Team versuchten, Plasma mit Elektrokatalyse zu kombinieren. Plasma wird gemeinhin als der vierte Aggregatzustand bezeichnet, nach fest, flüssig und gasförmig. Es handelt sich um ein Hochenergiegas, bei dem Elektronen von den Atomen abgetrennt wurden und so geladene Teilchen entstehen. Winter erklärte, dass diese Methode CO2 in Brennstoffe, Medikamente, Lösungsmittel und andere aus fossilen Brennstoffen gewonnene Chemikalien umwandeln könne.
Sie fügte hinzu: „Die Mehrkohlenstoffprodukte, die wir mit dieser Methode erzeugen, sind für viele Branchen der chemischen Industrie sehr nützlich." Das Verfahren könne zudem Vorläuferchemikalien für nachhaltigen Flugkraftstoff herstellen.
Die Kombination von Plasma und Elektrokatalyse
CO2 aufbrechen Obwohl CO2 relativ reichlich vorhanden ist, wird es noch nicht in großem Umfang zur Herstellung wertvoller Produkte genutzt. Der Grund dafür ist, dass es sich um ein äußerst stabiles und reaktionsträges Molekül handelt, dessen Umwandlung in nützliche Stoffe große Energiemengen erfordert. Die Elektrokatalyse ist eine vielversprechende Lösung. Sie nutzt Strom und Katalysatoren, um chemische Reaktionen anzutreiben und CO2 in andere Verbindungen umzuwandeln. Die reine Elektrokatalyse liefert jedoch meist nur relativ begrenzte, einfache Kohlenstoffprodukte. Das Yale-Team erwog daher, die Elektrokatalyse mit Plasma zu kombinieren, das hochenergetische Elektronen enthält. Diese Elektronen regen die CO2-Moleküle an und schwächen deren Bindungen, bevor sie den Katalysator erreichen.
Der Katalysator kann diese aktivierten Spezies dann nutzen, um verschiedene Produkte zu bilden. Winter wies darauf hin, dass Plasma chemische Reaktionswege eröffne, die durch Elektrokatalyse allein nicht zugänglich seien.
Eine innovative Lösung: die Drei-Phasen-Grenzfläche
Diese plasma-elektrochemischen Prozesse sind jedoch in der Regel auf eine Wasser-Grenzfläche angewiesen, was ihre Leistungsfähigkeit einschränken kann. Zwar kann Plasma CO2-Gas aktivieren, doch das Wasser kann die reaktivsten Plasmaspezies löschen und neutralisieren, bevor sie den Katalysator erreichen. Winter ergänzte: „Es war stets eine Herausforderung herauszufinden, wie man Plasma und Katalysator wirksam zusammenbringt, damit wir tatsächlich die Wirkung des Plasmas sehen und diese plasmaktivierten Spezies an der katalytischen Reaktion teilnehmen können."
Die Einschränkungen überwinden Um dieses Problem zu lösen, schlugen die Wissenschaftler eine Drei-Phasen-Grenzfläche vor, die gasförmige, flüssige und feste Bestandteile zusammenführt. Sie verhindert zugleich, dass das Plasma unmittelbar mit dem Wasser wechselwirkt. Das System stützt sich auf Gasdiffusionselektroden – Membranen aus demselben Materialtyp, der auch für antihaftbeschichtetes Kochgeschirr verwendet wird. Sie sind teilweise mit einer dünnen Kupferschicht als Elektrokatalysator bedeckt. Ihre Poren sind groß genug, um Plasmateilchen durch die Katalysatorschicht hindurchzulassen, wo sie auf Protonen aus dem Wasser treffen und chemische Reaktionen vorantreiben. Laut den Wissenschaftlern erzielt dieses Verfahren bei der Herstellung wertvoller Alkohole sowie von Drei- und Vier-Kohlenstoff-Atomen enthaltenden Verbindungen bislang die höchsten Ausbeuten.
Diese Produkte können für Flüssigbrennstoffe, Medikamente und andere wertvolle Erzeugnisse verwendet werden. Das Team wird als Nächstes den Katalysator optimieren und weitere Materialien erproben.
Potenzial und Anwendungen für die Kommerzialisierung
Das System arbeitet zudem bei Raumtemperatur und Normaldruck, was eine Kommerzialisierung erleichtern könnte. Winter fasste in einer Pressemitteilung zusammen: „Dies ist ein sofort einsatzbereiter Prozess. Sie können ihn je nach Verfügbarkeit von Strom jederzeit ein- oder ausschalten. Er kann außerdem direkt mit intermittierend verfügbarer erneuerbarer Energie betrieben werden, sodass eine Umrüstung bestehender Anlagen möglich ist und man nicht eine ganze neue Fabrik darum herum errichten muss." Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Catalysis veröffentlicht.
Auswirkungen dieser Technologie auf nachhaltige Energie
Die Forschung der Yale University zeigt das Potenzial der Kombination von Plasma und Elektrokatalyse und bietet einen neuen Ansatz für die Umwandlung von Kohlendioxid. Angesichts der weltweit steigenden Nachfrage nach einer Reduzierung der Kohlenstoffemissionen kann diese Technologie CO2 wirksam in nachhaltigen Flugkraftstoff und andere Chemikalien umwandeln und ist daher von erheblicher Bedeutung für den Umweltschutz und die Energiewende. Darüber hinaus arbeitet das System bei Raumtemperatur und Normaldruck, was die technische Hürde für eine Kommerzialisierung senkt und möglicherweise die Umrüstung bestehender Anlagen für eine effizientere Energienutzung fördert.