So einfach wie Legospielen: Sauberer Weg zur Umwandlung von Kohlendioxidabfällen in nützliche Industrieprodukte

Offene Flamme

In einem in der Zeitschrift Advanced Energy Materials veröffentlichten Artikel beschreiben Dr. Rahman Daiyan und Dr. Emma Lovell von der School of Chemical Engineering der UNSW eine Methode zur Herstellung von Nanopartikeln, die die Umwandlung von Kohlendioxidabfällen in nützliche Industriekomponenten fördern. Die Forscher, die ihre Arbeit im Forschungslabor für Partikel und Katalyse unter der Leitung von Scientia-Professorin Rose Amal durchgeführt haben, zeigen, dass sie durch die Herstellung von Zinkoxid bei sehr hohen Temperaturen mit Hilfe einer Technik namens Flammspray-Pyrolyse (FSP) Nanopartikel erzeugen können, die als Katalysator für die Umwandlung von Kohlendioxid in "Synthesegas" fungieren - eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die bei der Herstellung von Industrieprodukten verwendet wird. Die Forscher sagen, dass diese Methode billiger und für die Anforderungen der Schwerindustrie besser skalierbar ist als das, was heute verfügbar ist.

"Wir verwendeten eine offene Flamme, die bei 2000 Grad brennt, um Nanopartikel aus Zinkoxid zu erzeugen, die dann zur Umwandlung von CO₂ unter Verwendung von Elektrizität in Synthesegas verwendet werden können", sagt Dr. Lovell.

"Syngas wird oft als das chemische Äquivalent von Lego angesehen, weil die beiden Bausteine - Wasserstoff und Kohlenmonoxid - in unterschiedlichen Verhältnissen zur Herstellung von Dingen wie synthetischem Diesel, Methanol, Alkohol oder Kunststoffen verwendet werden können, die sehr wichtige industrielle Vorprodukte sind.

"Was wir also im Wesentlichen tun, ist die Umwandlung von CO₂ in diese Vorläuferstoffe, die zur Herstellung all dieser lebenswichtigen Industriechemikalien verwendet werden können.

Den Kreislauf schließen

In einer industriellen Umgebung könnte ein Elektrolyseur, der die von FSP produzierten Zinkoxidpartikel enthält, verwendet werden, um das Abfall-CO₂ in nützliche Permutationen von Synthesegas umzuwandeln, sagt Dr. Daiyan.

"CO₂-Abfall, beispielsweise aus einem Kraftwerk oder einer Zementfabrik, kann durch diesen Elektrolyseur geleitet werden, und im Inneren haben wir unser flammgespritztes Zinkoxidmaterial in Form einer Elektrode. Wenn wir das Abfall-CO₂ einleiten, wird es mit Hilfe von Elektrizität verarbeitet und aus einem Auslass als Synthesegas in einer Mischung aus CO und Wasserstoff freigesetzt", sagt er.

Die Forscher sagen, dass sie in der Tat den Kohlenstoffkreislauf in industriellen Prozessen, die schädliche Treibhausgase erzeugen, schließen. Und indem sie kleine Anpassungen an der Art und Weise vornehmen, wie die Nanopartikel durch die FSP-Technik verbrannt werden, können sie die mögliche Mischung der Synthesegas-Bausteine bestimmen, die bei der Umwandlung von Kohlendioxid entstehen.

"Im Moment erzeugen Sie Synthesegas durch die Verwendung von Erdgas - also aus fossilen Brennstoffen", sagt Dr. Daiyan. "Aber wir verwenden Abfall-Kohlendioxid und wandeln es dann in einem Verhältnis in Synthesegas um, das davon abhängt, in welcher Industrie Sie es verwenden wollen.

Zum Beispiel eignet sich ein Verhältnis von eins zu eins zwischen Kohlenmonoxid und Wasserstoff für Synthesegas, das als Brennstoff verwendet werden kann. Aber ein Verhältnis von vier Teilen Kohlenmonoxid und einem Teil Wasserstoff eignet sich für die Herstellung von Kunststoffen, sagt Dr. Daiyan.

Preiswert und zugänglich

Mit der Wahl von Zinkoxid als Katalysator haben die Forscher dafür gesorgt, dass ihre Lösung eine billigere Alternative zu dem geblieben ist, was bisher in diesem Bereich versucht wurde.

"Bei früheren Versuchen wurden teure Materialien wie Palladium verwendet, aber dies ist der erste Fall, bei dem ein sehr billiges und reichlich vorhandenes Material, das lokal in Australien abgebaut wird, erfolgreich auf das Problem der Umwandlung von Kohlendioxid aus Abfall angewendet wurde", sagt Dr. Daiyan.

Dr. Lovell fügt hinzu, was diese Methode ebenfalls attraktiv macht, ist die Verwendung des FSP-Flammensystems zur Erzeugung und Kontrolle dieser wertvollen Materialien.

"Es bedeutet, dass es industriell genutzt werden kann, dass es skalierbar ist, dass es superschnell in der Herstellung der Materialien ist und dass es sehr effektiv ist", sagt sie.

"Wir brauchen uns keine Sorgen über komplizierte Syntheseverfahren zu machen, bei denen wirklich teure Metalle und Vorläufer verwendet werden - wir können es verbrennen und haben diese Partikel in 10 Minuten einsatzbereit. Und indem wir steuern, wie wir es verbrennen, können wir diese Verhältnisse der gewünschten Synthesegas-Bausteine kontrollieren.

Hochskalieren

Während das Duo bereits einen Elektrolyseur gebaut hat, der mit verunreinigtem CO₂-Abgas getestet wurde, ist die Skalierung der Technologie bis zu dem Punkt, an dem sie das gesamte von einem Kraftwerk ausgestoßene Kohlendioxid umwandeln könnte, noch ein weiter Weg.

"Die Idee ist, dass wir eine Punktquelle für CO₂ nehmen können, wie zum Beispiel ein Kohlekraftwerk, ein Gaskraftwerk oder sogar ein Erdgasbergwerk, wo man eine riesige Menge an reinem CO₂ freisetzt, und wir können diese Technologie im Wesentlichen am hinteren Ende dieser Anlagen nachrüsten. Dann könnten Sie das erzeugte CO₂ abtrennen und in etwas umwandeln, das für die Industrie von enormem Wert ist", sagt Dr. Lovell.

Das nächste Projekt der Gruppe wird darin bestehen, ihre Nanomaterialien in einer Rauchgasumgebung zu testen, um sicherzustellen, dass sie gegenüber den rauen Bedingungen und anderen Chemikalien, die in Industrieabgasen vorkommen, tolerant sind.

Originalveröffentlichung: Advanced Energy Materials - Uncovering Atomic-Scale Stability and Reactivity in Engineered Zinc Oxide Electrocatalysts for Controllable Syngas Production

Quelle: Chemie.de - So einfach wie Legospielen: Sauberer Weg zur Umwandlung von Kohlendioxidabfällen in nützliche Industrieprodukte
Bildquelle: Wikimedia Commons - Arnold Paul