Nanotechnology Now – Pressemitteilung: Katalytische Kombination wandelt CO2 in feste Kohlenstoff-Nanofasern um: Elektrokatalytisch-thermokatalytische Tandem-Umwandlung könnte dazu beitragen, die Emissionen von starkem Treibhausgas auszugleichen, indem Kohlenstoff in einem nützlichen Material gebunden wird

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Wissenschaftler haben eine Strategie entwickelt, um Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre in wertvolle Kohlenstoff-Nanofasern umzuwandeln. Der Prozess nutzt elektrokatalytische (blauer Ring) und thermokatalytische (orangefarbener Ring) Tandemreaktionen, um CO2 (blaugrüne und silberne Moleküle) plus Wasser (lila und blaugrün) in „feste“ Kohlenstoffnanofasern (Silber) umzuwandeln und dabei Wasserstoffgas (H2, lila) zu erzeugen ) als nützliches Nebenprodukt. Die Kohlenstoffnanofasern könnten verwendet werden, um Baumaterialien wie Zement zu verstärken und Kohlenstoff für Jahrzehnte einzuschließen. CREDIT (Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory und Columbia University; Erwei Huang/Brookhaven National Laboratory)

Scientists have devised a strategy for converting carbon dioxide (CO2) from the atmosphere into valuable carbon nanofibers. The process uses tandem electrocatalytic (blue ring) and thermocatalytic (orange ring) reactions to convert the CO2 (teal and silver molecules) plus water (purple and teal) into “fixed” carbon nanofibers (silver), producing hydrogen gas (H2, purple) as a beneficial byproduct. The carbon nanofibers could be used to strengthen building materials such as cement and lock away carbon for decades.

CREDIT
(Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory und Columbia University; Erwei Huang/Brookhaven National Laboratory)

Abstract:
Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) und der Columbia University haben eine Möglichkeit entwickelt, Kohlendioxid (CO2), ein starkes Treibhausgas, in Kohlenstoffnanofasern umzuwandeln, Materialien mit einer Vielzahl einzigartiger Eigenschaften und vielen potenziellen Langzeitwirkungen. Begriff verwendet. Ihre Strategie nutzt elektrochemische und thermochemische Tandemreaktionen, die bei relativ niedrigen Temperaturen und Umgebungsdruck ablaufen. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature Catalysis“ beschreiben, könnte dieser Ansatz erfolgreich Kohlenstoff in einer nützlichen festen Form binden, um negative Kohlenstoffemissionen auszugleichen oder sogar zu erreichen.

Katalytische Kombination wandelt CO2 in feste Kohlenstoff-Nanofasern um: Die elektrokatalytische-thermokatalytische Tandemumwandlung könnte dazu beitragen, die Emissionen von starkem Treibhausgas auszugleichen, indem Kohlenstoff in einem nützlichen Material gebunden wird

Upton, NY | Gepostet am 12. Januar 2024

„Man kann die Kohlenstoffnanofasern in Zement einbringen, um den Zement zu verstärken“, sagte Jingguang Chen, Professor für Chemieingenieurwesen an der Columbia University mit einer gemeinsamen Anstellung am Brookhaven Lab und Leiter der Forschung. „Das würde den Kohlenstoff für mindestens 50 Jahre, möglicherweise sogar länger, im Beton binden. Bis dahin sollte die Welt auf vorrangig erneuerbare Energiequellen umgestellt werden, die keinen Kohlenstoff ausstoßen.“

Als Bonus entsteht bei dem Prozess auch Wasserstoffgas (H2), ein vielversprechender alternativer Kraftstoff, der bei seiner Verwendung emissionsfrei ist.

Kohlenstoff einfangen oder umwandeln
Die Idee, CO2 einzufangen oder in andere Materialien umzuwandeln, um den Klimawandel zu bekämpfen, ist nicht neu. Doch allein die Lagerung von CO2-Gas kann zu Undichtigkeiten führen. Und bei vielen CO2-Umwandlungen entstehen kohlenstoffbasierte Chemikalien oder Kraftstoffe, die sofort verwendet werden, wodurch CO2 direkt wieder in die Atmosphäre freigesetzt wird.

„Das Neue an dieser Arbeit ist, dass wir versuchen, CO2 in etwas umzuwandeln, das einen Mehrwert bietet, aber in einer soliden, nützlichen Form“, sagte Chen.

Solche festen Kohlenstoffmaterialien – darunter Kohlenstoffnanoröhren und Nanofasern mit Abmessungen von Milliardstel Metern – haben viele attraktive Eigenschaften, darunter Festigkeit sowie thermische und elektrische Leitfähigkeit. Aber es ist keine einfache Sache, Kohlenstoff aus Kohlendioxid zu extrahieren und ihn zu diesen feinen Strukturen zusammenzufügen. Ein direkter, wärmebetriebener Prozess erfordert Temperaturen von über 1,000 Grad Celsius.

„Eine groß angelegte CO2-Minderung ist sehr unrealistisch“, sagte Chen. „Im Gegensatz dazu haben wir einen Prozess gefunden, der bei etwa 400 Grad Celsius ablaufen kann, was eine viel praktischere, industriell erreichbare Temperatur ist.“

Das Tandem zweistufig
Der Trick bestand darin, die Reaktion in Phasen aufzuteilen und zwei verschiedene Arten von Katalysatoren zu verwenden – Materialien, die es den Molekülen erleichtern, zusammenzukommen und zu reagieren.

„Wenn man die Reaktion in mehrere Unterreaktionsschritte aufteilt, kann man erwägen, unterschiedliche Arten von Energieeinträgen und Katalysatoren zu verwenden, damit jeder Teil der Reaktion funktioniert“, sagte Zhenhua Xie, Forschungswissenschaftler am Brookhaven Lab und Columbia, Hauptautor des Papiers.

Die Wissenschaftler erkannten zunächst, dass Kohlenmonoxid (CO) ein viel besseres Ausgangsmaterial als CO2 für die Herstellung von Kohlenstoffnanofasern (CNF) ist. Dann machten sie einen Rückzieher, um den effizientesten Weg zu finden, CO aus CO2 zu erzeugen.

Frühere Arbeiten ihrer Gruppe veranlassten sie, einen kommerziell erhältlichen Elektrokatalysator aus Palladium auf Kohlenstoff zu verwenden. Elektrokatalysatoren treiben chemische Reaktionen mit elektrischem Strom an. In Gegenwart strömender Elektronen und Protonen spaltet der Katalysator sowohl CO2 als auch Wasser (H2O) in CO und H2.

Im zweiten Schritt griffen die Wissenschaftler auf einen wärmeaktivierten Thermokatalysator aus einer Eisen-Kobalt-Legierung zurück. Es arbeitet bei Temperaturen um die 400 Grad Celsius und ist damit deutlich milder, als es eine direkte CO2-zu-CNF-Umwandlung erfordern würde. Sie fanden auch heraus, dass die Zugabe von etwas zusätzlichem metallischem Kobalt die Bildung der Kohlenstoffnanofasern erheblich fördert.

„Durch die Kopplung von Elektrokatalyse und Thermokatalyse nutzen wir diesen Tandemprozess, um Dinge zu erreichen, die mit keinem der beiden Prozesse allein erreicht werden können“, sagte Chen.

Katalysatorcharakterisierung
Um die Einzelheiten der Funktionsweise dieser Katalysatoren herauszufinden, führten die Wissenschaftler eine Vielzahl von Experimenten durch. Dazu gehörten Computermodellierungsstudien, physikalische und chemische Charakterisierungsstudien an der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) des Brookhaven Lab – unter Verwendung der Strahllinien Quick X-ray Absorption and Scattering (QAS) und Inner-Shell Spectroscopy (ISS) – sowie mikroskopische Bildgebung in der Elektronenmikroskopie-Einrichtung am Center for Functional Nanomaterials (CFN) des Labors.

Bei der Modellierung verwendeten die Wissenschaftler DFT-Berechnungen (Density Functional Theory), um die Atomanordnungen und andere Eigenschaften der Katalysatoren bei der Wechselwirkung mit der aktiven chemischen Umgebung zu analysieren.

„Wir untersuchen die Strukturen, um zu bestimmen, welche Phasen des Katalysators unter Reaktionsbedingungen stabil sind“, erklärte der Co-Autor der Studie, Ping Liu von der Chemistry Division in Brookhaven, der diese Berechnungen leitete. „Wir untersuchen aktive Stellen und wie diese Stellen mit den Reaktionszwischenprodukten eine Bindung eingehen. Indem wir die Barrieren oder Übergangszustände von einem Schritt zum nächsten bestimmen, erfahren wir genau, wie der Katalysator während der Reaktion funktioniert.“

Mithilfe von Röntgenbeugungs- und Röntgenabsorptionsexperimenten am NSLS-II wurde verfolgt, wie sich die Katalysatoren während der Reaktionen physikalisch und chemisch verändern. Synchrotron-Röntgenstrahlen zeigten beispielsweise, wie das Vorhandensein von elektrischem Strom metallisches Palladium im Katalysator in Palladiumhydrid umwandelt, ein Metall, das für die Produktion von H2 und CO in der ersten Reaktionsstufe von entscheidender Bedeutung ist.

Für die zweite Stufe „wollten wir wissen, wie die Struktur des Eisen-Kobalt-Systems unter Reaktionsbedingungen aussieht und wie der Eisen-Kobalt-Katalysator optimiert werden kann“, sagte Xie. Die Röntgenexperimente bestätigten, dass sowohl eine Legierung aus Eisen und Kobalt als auch etwas zusätzliches metallisches Kobalt vorhanden sind und für die Umwandlung von CO in Kohlenstoffnanofasern benötigt werden.

„Die beiden arbeiten nacheinander zusammen“, sagte Liu, dessen DFT-Berechnungen zur Erklärung des Prozesses beitrugen.

„Unserer Studie zufolge tragen die Kobalt-Eisen-Stellen in der Legierung dazu bei, die CO-Bindungen von Kohlenmonoxid aufzubrechen. Dadurch steht atomarer Kohlenstoff zur Verfügung, der als Quelle für den Aufbau von Kohlenstoffnanofasern dienen kann. Dann ist das zusätzliche Kobalt dazu da, die Bildung der C-C-Bindungen zu erleichtern, die die Kohlenstoffatome verbinden“, erklärte sie.

Bereit zum Recycling, CO2-negativ
„Die am CFN durchgeführte Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Analyse enthüllte die Morphologien, Kristallstrukturen und Elementverteilungen innerhalb der Kohlenstoffnanofasern sowohl mit als auch ohne Katalysatoren“, sagte CFN-Wissenschaftler und Mitautor der Studie Sooyeon Hwang.

Die Bilder zeigen, dass der Katalysator beim Wachstum der Kohlenstoffnanofasern nach oben und von der Oberfläche weggedrückt wird. Dadurch sei es einfacher, das katalytische Metall zu recyceln, sagte Chen.

„Wir verwenden Säure, um das Metall herauszulösen, ohne die Kohlenstoffnanofasern zu zerstören, sodass wir die Metalle konzentrieren und recyceln können, um sie erneut als Katalysator zu verwenden“, sagte er.

Diese Leichtigkeit des Katalysatorrecyclings, die kommerzielle Verfügbarkeit der Katalysatoren und die relativ milden Reaktionsbedingungen für die zweite Reaktion tragen alle zu einer günstigen Bewertung der mit dem Prozess verbundenen Energie- und anderen Kosten bei, sagten die Forscher.

„Für praktische Anwendungen sind beide wirklich wichtig – die Analyse des CO2-Fußabdrucks und die Recyclingfähigkeit des Katalysators“, sagte Chen. „Unsere technischen Ergebnisse und diese anderen Analysen zeigen, dass diese Tandemstrategie eine Tür für die Dekarbonisierung von CO2 in wertvolle feste Kohlenstoffprodukte öffnet und gleichzeitig erneuerbares H2 produziert.“

Wenn diese Prozesse durch erneuerbare Energien angetrieben würden, wären die Ergebnisse tatsächlich CO2-negativ und würden neue Möglichkeiten zur COXNUMX-Minderung eröffnen.

Diese Forschung wurde vom DOE Office of Science (BES) unterstützt. Die DFT-Berechnungen wurden unter Verwendung von Rechenressourcen am CFN und am National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) am Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE durchgeführt. NSLS-II, CFN und NERSC sind Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science.

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Über DOE/Brookhaven National Laboratory
Das Brookhaven National Laboratory wird vom Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt. Das Office of Science ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter science.energy.gov.

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