Katalysatorer til klimabeskyttelse

Hvordan kan vi nå de internationalt aftalte klimamål? Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB laver drivhusgassen CO ₂ kan bruges som en kulstofkilde til den kemiske industri. Med en patenteret katalysatorsyntese, screening for den optimale katalysator ved høj kapacitet og kombinerede (elektro) kemisk-bioteknologiske processer, forskellige koncepter er tilgængelige for CO ₂ emitterende industrier. Platformens kemiske ethylen er allerede blevet produceret med succes fra CO ₂ i en elektrokemisk demonstrator med et elektrodeområde på 130 kvadratcentimeter.

Hurtig indsats er nødvendig for at begrænse stigningen i den globale opvarmning til langt under 2 ° C, som aftalt i Paris -rammekonventionen om klimaændringer. For industrisektoren, Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB har udviklet forskellige nye teknologiske løsninger til brug af drivhusgassen kuldioxid (CO ₂ ), som genereres under forbrændingsprocesser, som råvare til produktion af kemikalier, brændstoffer eller kemiske energilagringssystemer. "Dette reducerer netto CO ₂ emissioner og bevarer også fossile ressourcer, "forklarer Gerd Unkelbach, der er ansvarlig for forretningsområdet Sustainable Chemistry hos Fraunhofer IGB.

Katalysatorer er centrale aktører i den kemiske og elektrokemiske omdannelse af CO ₂ . De fremskynder reaktioner, men forbruges ikke selv. I biler, for eksempel, katalysatoren, "normalt i form af ædle metaller såsom platin, rhodium eller palladium, omdanner giftige stoffer i udstødningsgassen.

Fraunhofer IGB optimerer ikke kun katalysatorerne. "Vi udvikler også nye processer og designer passende anlæg til omdannelse af CO ₂ elektrokemisk - med elektricitet fra vedvarende energier - eller kemisk; eller vi kombinerer disse med bioteknologiske processer, «siger Unkelbach.

Optimeret katalysatorsyntese til produktion af regenerativ methanol

Metalkobberet spiller en stor rolle som katalysator i syntesen af ​​regenerativ methanol fra CO ₂ og elektrolytisk fremstillet hydrogen. Methanol er et alsidigt kemisk råstof, der også får stadig større betydning for energisektoren, både som brændstofadditiv til forbrændingsmotorer og som energibærer i brændselsceller. Ifølge en DECHEMA -undersøgelse op til 1,5 ton CO ₂ emissioner pr. ton methanol kunne undgås, hvis methanol ikke blev syntetiseret fra fossile råvarer, men fra CO ₂ eller andre regenerative råvarer (A.M. Bazzanella, F. Ausfelder, DECHEMA e.V. Teknologiundersøgelse - Lavt kulstofindhold og råstoffer til den europæiske kemiske industri, DECHEMA, 2017).

Katalysatorerne til methanolsyntese fremstilles ud fra kobberholdige opløsninger, i dag ved hjælp af komplekse nedbørsprocesser over flere mellemtrin. "For at spare energi, tid og ressourcer under katalysatorsyntese i industriel skala, vi har optimeret processen til kontinuerlig drift, "forklarer Dr. Lénárd Csepei, som har spillet en stor rolle i arbejdet på BioCat -filialen i Straubing og indgivet en patentansøgning til processen.

En anden patentanmeldt metode til katalysatorsyntese er baseret på opløsning af metalforbindelser i såkaldte dybe eutektiske opløsningsmidler. Med disse metoder, katalysatorer af forskellige elementære sammensætninger kan fremstilles og deres effektivitet optimeres - ikke kun til fremstilling af methanol, men også for andre kemiske og elektrokemiske synteseprocesser.

På udkig efter den bedste katalysator - med høj kapacitet

I alle synteseprocesser, katalysatorydelsen er af afgørende betydning, som afgør, om det ønskede produkt kan fremstilles økonomisk. "En af de vigtigste faktorer er det højest mulige udbytte af det ønskede produkt. Vi ønsker ikke, at der produceres biprodukter, "forklarer Csepei. For at afgøre, hvilken katalysator der er bedst egnet til den pågældende implementering, Fraunhofer -forskerne screener de mulige kandidater i forskellige reaktorsystemer.

"I vores multifunktionssystem med fire parallelle reaktorrør, vi kan teste katalysatorer under forskellige reaktionsbetingelser - såsom forskellige syntesegasblandinger, tryk og temperaturer - i høj kapacitet, "siger Csepei. Reaktionerne overvåges analytisk i realtid, så de resulterende produkter kan kvantificeres direkte. Forskerne har designet og bygget et reaktorsystem til test af katalysatorer ved atmosfærisk tryk." Vi bruger dette udstyr til at undersøge efterfølgende reaktionskaskader, dvs. en yderligere konvertering ved hjælp af bioteknologiske metoder, "siger Csepei.

Fra katalysator til demonstrator

Baseret på de optimerede katalysatorer og som et eksempel på CO ₂ konvertering, I Fraunhofer fyrprojekt "Elektricitet som råstof" har IGB bygget en fuldautomatisk prototype til den elektrokemiske produktion af ethylen, et af de vigtigste udgangsmaterialer i den kemiske industri. Kerneelementet er en elektrokemisk celle specielt udviklet af IGB. I denne celle, elektronerne til reduktion af CO ₂ overføres til en vandig elektrolyt og bringes i kontakt med katalysatoren og den gasformige carbondioxid ved en porøs gasdiffusionselektrode.

"Med dette system, vi producerer ethylen fra CO ₂ og vand i et enkelt trin på en elektrodeoverflade på 130 cm ² og med vores egne katalysatorer, "forklarer Dr. Carsten Pietzka, der forsker i Stuttgart. "Sammenlignelige resultater for denne elektrosynteseproces er hidtil kun opnået i laboratorieskala, med elektrodeoverflader på blot et par kvadratcentimeter og katalysatorer, der kun kan produceres i lille skala, "siger videnskabsmanden. Demonstratorens design kan overføres til andre elektrosynteseprocesser og muliggør screening af katalysator- og elektrodematerialer i den næste større skala.

"Fra 2020, den nye Fraunhofer elektrolyseplatform i Leuna vil også gøre det muligt for os at skalere elektrokemiske synteser til den industrielle skala, "tilføjer Ulrike Junghans, der forsker på Fraunhofer Center for Chemical-Biotechnological Processes CBP, Leuna -filialen af ​​IGB. I projektet "SynLink" som ledes af hende og finansieres af det tyske forbundsministerium for økonomi og energi, denne platform vil demonstrere, at vedvarende energi kan bruges til at producere syntesegas fra H2O og CO ₂ - med begge molekyler adsorberet fra luft. Syntesegas omdannes derefter kemokatalytisk til methanol og brændstoffer.

Kemikalier af høj kvalitet ved at kombinere kemi og bioteknologi

Kemikalier fremstillet af CO ₂ kan kun konkurrere med petrokemiske produkter, hvis de produceres i store mængder, og hvis der er tilstrækkelig elektricitet til rådighed til lave omkostninger. Dette er normalt ikke tilfældet for typiske små, decentraliseret CO ₂ -afgivende anlæg som f.eks. biogasanlæg eller bryggerier.

For at sikre, at værditilvæksten for regenerativ methanol også bliver en rentabel forretning i mindre skala, Fraunhofer-forskerne har forfulgt en ny tilgang og kombineret kemisk syntese i en nyligt patenteret proces med efterfølgende bioteknologisk gæring for at producere kemikalier af højere værdi. "Ved hjælp af en ny reaktionsproces, CO ₂ omdannes til methanol som mellemprodukt, som pumpes direkte ind i en fermenter med visse intervaller uden yderligere behandling, "forklarer Csepei. Mikroorganismerne vokser med methanol som den eneste kulkilde og producerer mælkesyre, isopren, polyhydroxysmørsyre og langkædede terpener:værdifulde produkter, der kun kan opnås med konventionelle kemiske katalytiske processer ved hjælp af komplekse, flertrins synteser.

Forskernes mål er at videreudvikle disse lovende katalytiske systemer og processer til udnyttelse af CO ₂ mod kommerciel modenhed, i tæt samarbejde med partnere fra industrien, og dermed yde et væsentligt bidrag til klimabeskyttelse.