Ansätze, Kohlendioxid (CO₂) zu speichern oder in kohlenstoffbasierte Chemikalien oder Brennstoffe umzuwandeln, gibt es bereits einige. Nun haben Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums und der Columbia University eine Methode entwickelt, um das Treibhausgas in Nanofasern umzuwandeln. Die Forscher sehen hierin eine Möglichkeit, den globalen Kohlenstoffausstoß auszugleichen oder sogar negative Kohlenstoffemissionen zu erreichen.
Tandem-Zweischritt-Methode
„Das Neue an dieser Arbeit ist, dass wir versuchen, CO₂ in etwas umzuwandeln, das einen Mehrwert bietet, aber in einer festen, nützlichen Form“, so Studienleiter Jingguang Chen in einer Pressemitteilung. Feste Kohlenstoffmaterialien, wie Nanoröhren und -fasern weisen spannende Eigenschaften auf, darunter thermische und elektrische Leitfähigkeit. „Sie können die Kohlenstoffnanofasern in Zement einbringen, um den Zement zu stärken. Das würde den Kohlenstoff für mindestens 50 Jahre im Beton einschließen, möglicherweise sogar länger. Bis dahin sollte die Welt hauptsächlich auf erneuerbare Energiequellen umgestellt sein, die keinen Kohlenstoff ausstoßen.“
Die Wissenschaftler stellten allerdings fest, dass Kohlenmonoxid (CO) ein viel besseres Ausgangsmaterial für die Herstellung von Kohlenstoffnanofasern (CNF) ist als CO₂. Die Herausforderung bestand also darin, den Kohlenstoff aus Kohlendioxid zu extrahieren und ihn dazu zu bringen, sich in diese feinen Strukturen zu formen. Um dies zu lösen und die entsprechende Reaktion zu vereinfachen, haben die Wissenschaftler den Prozess in zwei Stufen aufgeteilt und zwei verschiedene Arten von Katalysatoren verwendet: Elektrokatalyse und Thermokatalyse. „Wenn man die Reaktion in mehrere Teilschritte entkoppelt, kann man verschiedene Arten von Energiezufuhr und Katalysatoren verwenden, um jeden Teil der Reaktion zum Laufen zu bringen“, kommentiert Hauptautor Zhenhua Xie die Studie.
Durch frühere Arbeiten konnte die Forschungsgruppe auf einen bewährten handelsüblichen Elektrokatalysator aus Palladium zurückgreifen. Solche Elektrokatalysatoren treiben chemische Reaktionen mithilfe elektrischem Strom an. In Gegenwart von fließenden Elektronen und Protonen spaltet der Katalysator CO₂ und Wasser (H₂O) in CO und H₂ auf.
Katalysator kann recycelt werden
Für den zweiten Schritt wählten die Wissenschaftler einen hitzeaktivierten Thermokatalysator aus einer Eisen-Kobalt-Legierung. Er arbeitet bei Temperaturen um 400 Grad Celsius, und kann damit bei deutlich kühleren Temperaturen eingesetzt werden als es eine direkte Umwandlung von CO₂ in CNF erfordern würde, die etwa 1.000 Grad Celsius erfordern würde.
„Durch die Kopplung von Elektrokatalyse und Thermokatalyse erreichen wir mit diesem Tandemverfahren Dinge, die mit einem der beiden Verfahren allein nicht möglich sind“, so Chen. Während ihren Versuchen fanden die Forscher heraus, dass die Zugabe von etwas zusätzlichem metallischem Kobalt die Bildung der Kohlenstoffnanofasern erheblich verbessert. Die Analyse am Transmissionselektronenmikroskop zeigte, dass der Katalysator, während die Kohlenstoffnanofasern wachsen, von der Oberfläche weggedrückt wird. Dies erleichtert zudem das Recycling des katalytischen Metalls. Nebenbei wird bei diesem Prozess auch noch Wasserstoff erzeugt, das als alternativer Kraftstoff Verwendung finden könnte.
„Für praktische Anwendungen ist beides sehr wichtig – die Analyse des CO₂-Fußabdrucks und die Recyclingfähigkeit des Katalysators“, so der Chemiker. „Unsere technischen Ergebnisse und diese anderen Analysen zeigen, dass diese Tandemstrategie eine Tür für die Dekarbonisierung von CO₂ in wertvolle feste Kohlenstoffprodukte bei gleichzeitiger Produktion von erneuerbarem H2 öffnet“.
Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher im Fachmagazin „Nature Catalysis“.
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