Die Bedrohung durch den Klimawandel besteht weiterhin für die menschliche Gesellschaft und Ökosysteme. Kohlendioxid ist für den größten Anteil der Treibhausgase verantwortlich, die zum Klimawandel beitragen.
Um dem Klimawandel entgegenzuwirken und sich für die Kohlenstoffneutralität einzusetzen, haben Forscher der Hong Kong University of Science and Technology ein nachhaltiges, hoch selektives und energieeffizientes Kohlendioxid-Elektroreduktionssystem entwickelt, das CO2 in Ethylen für industrielle Zwecke umwandelt. Damit bieten sie eine effektive Lösung zur Reduzierung von CO2-Emissionen.
Die Forschung wurde in Nature Energy veröffentlicht und erhielt die Goldmedaille auf der 48. Internationalen Ausstellung der Erfindungen in Genf, Schweiz.
Ethylen (C2H4) ist eine der begehrtesten chemischen Verbindungen weltweit und wird hauptsächlich zur Herstellung von Polymeren wie Polyethylen verwendet, aus denen Kunststoffe und Chemiefasern hergestellt werden, die im täglichen Leben weit verbreitet sind. Allerdings wird es überwiegend aus petrochemischen Quellen gewonnen, was mit einem großen CO2-Fußabdruck im Produktionsprozess verbunden ist.
Unter der Leitung von Professor Daniel Lau, einem Nanomaterialienexperten und Leiter des Fachbereichs Angewandte Physik, hat das Forschungsteam die elektrokatalytische Methode der CO2-Reduktion eingesetzt. Sie nutzen grüne elektrische Energie, um Kohlendioxid in Ethylen umzuwandeln, was eine umweltfreundlichere Alternative darstellt und eine stabile Ethylenproduktion bietet.
Das Forschungsteam arbeitet daran, diese neue Technologie voranzubringen, um sie näher an die Massenproduktion heranzuführen, den Kohlenstoffkreislauf zu schließen und letztendlich die Kohlenstoffneutralität zu erreichen.
Professor Laus Innovation besteht darin, das alkalische Elektrolyt zugunsten von reinem Wasser ohne Metalle als Anolyt aufzugeben, um die Bildung von Carbonaten und Salzausfallungen zu verhindern. Das Forschungsteam hat seine Lösung das APMA-System genannt, wobei A für Anionenaustauschmembran (AEM) steht, P für Protonenaustauschmembran (PEM) und MA die resultierende Membrankonfiguration bezeichnet.
Durch den Aufbau einer Stapel von Nicht-Alkali-Zellen, die APMA und Kupferelektrokatalysator enthalten, wurde eine hohe Ausbeute von 50% an Ethylen erzielt. Das System war auch in der Lage, über 1000 Stunden bei einem industriellen Strom von 10A zu arbeiten, was eine signifikante Steigerung der Lebensdauer im Vergleich zu bestehenden Systemen bedeutet. Das System kann somit leicht für industrielle Anwendungen hochskaliert werden.
Weitere Tests zeigten, dass die Bildung von Carbonaten und Salzen gehemmt wurde, während kein CO2 oder Elektrolytverlust auftrat. Dies ist entscheidend, da frühere Zellen, die anstelle von APMA bipolar Membranen verwendeten, aufgrund der Diffusion alkalischer Ionen aus dem Anolyt unter Elektrolytverlust litten. Die Bildung von Wasserstoff, der mit Ethylen konkurriert, wurde ebenfalls minimiert, ein Problem, das frühere Systeme in sauren kathodischen Umgebungen plagte.
Ein weiteres wichtiges Merkmal des Verfahrens ist der eingesetzte Elektrokatalysator. Kupfer wird im Chemiebereich häufig zur Katalyse einer Reihe von Reaktionen verwendet. Der spezifische Katalysator, den das Forschungsteam eingesetzt hat, besitzt jedoch bestimmte charakteristische Eigenschaften.
Millionen von nanometergroßen Kupferkugeln wiesen reiche Oberflächen mit Stufen, strukturellen Defekten und Korngrenzen auf. Diese „Defekte“ im Vergleich zur idealen Metallstruktur schaffen eine günstige Umgebung für die Durchführung der Reaktion.
Professor Lau sagte: „Wir werden uns weiterhin für Verbesserungen einsetzen, um die Selektivität des Produkts zu steigern und Möglichkeiten zur Zusammenarbeit mit der Industrie zu erkunden. Es ist klar, dass dieses APMA-Zellendesign die Grundlage für den Übergang zur grünen Ethylenproduktion und anderen wertvollen chemischen Substanzen legt und zur Reduzierung von Kohlendioxidemissionen und zur Erreichung der Kohlenstoffneutralität beitragen kann.“
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