Forskerhold designer et nyt katalysatorsystem til CO₂-omdannelse

Forskergrupper rundt om i verden udvikler teknologier til at omdanne kuldioxid (CO₂ ) til råmaterialer til industrielle anvendelser. De fleste eksperimenter under industrielt relevante forhold er blevet udført med heterogene elektrokatalysatorer, dvs. katalysatorer, der er i en anden kemisk fase end de reagerende stoffer. Homogene katalysatorer, som er i samme fase som reaktanterne, anses dog generelt for at være mere effektive og selektive. Til dato har der ikke været nogen opsætninger, hvor homogene katalysatorer kunne testes under industrielle forhold.

Et team ledet af Kevinjeorjios Pellumbi og professor Ulf-Peter Apfel fra Ruhr University Bochum og Fraunhofer Institut for Miljø, Sikkerhed og Energiteknologi UMSICHT i Oberhausen har nu lukket dette hul. Forskerne skitserede deres resultater i tidsskriftet Cell Reports Physical Science . Artiklen blev offentliggjort den 13. december 2023.

"Vores arbejde sigter mod at flytte teknologiens grænser for at etablere en effektiv løsning for CO₂ konvertering, der vil forvandle den klimaskadelige gas til en nyttig ressource," siger Ulf-Peter Apfel. Hans gruppe samarbejdede med holdet ledet af professor Wolfgang Schöfberger fra Johannes Kepler Universitetet i Linz og forskere fra Fritz Haber Instituttet i Berlin.

Effektivitet og langvarig stabilitet

Holdet udforskede konverteringen af ​​CO₂ ved hjælp af elektrokatalyse. I processen leverer en spændingskilde elektrisk energi, som via elektroder tilføres reaktionssystemet og driver de kemiske omdannelser ved elektroderne. En katalysator letter reaktionen; i homogen elektrokatalyse er katalysatoren sædvanligvis et opløst metalkompleks. I en såkaldt gasdiffusionselektrode er udgangsmaterialet CO₂ flyder forbi elektroden, hvor katalysatorerne omdanner den til kulilte. Sidstnævnte er til gengæld et almindeligt udgangsmateriale i den kemiske industri.

Forskerne integrerede metalkomplekskatalysatorerne i elektrodeoverfladen uden at binde dem kemisk til den. De viste, at deres system effektivt kunne konvertere CO₂ :Det genererede strømtætheder på mere end 300 milliampere per kvadratcentimeter. Desuden forblev systemet stabilt i over 100 timer uden at vise tegn på forfald.

Ingen grund til at forankre katalysatoren

Alt dette betyder, at homogene katalysatorer generelt kan anvendes til elektrolyseceller. "Men de kræver en specifik elektrodesammensætning," siger Ulf-Peter Apfel. Mere specifikt skal elektroderne muliggøre direkte gasomdannelse uden opløsningsmidler, så katalysatoren ikke udvaskes fra elektrodeoverfladen. I modsætning til hvad der ofte er beskrevet i faglitteraturen, er der ikke behov for et bæremateriale, der kemisk kobler katalysatoren til elektrodeoverfladen.

"Vores resultater åbner mulighed for at teste og integrere højtydende og let variable homogene elektrokatalysatorer i anvendelsesscenarier for elektrokemiske processer," konkluderer Apfel.

Flere oplysninger: Kevinjeorjios Pellumbi et al., at skubbe Ag-belastningen af ​​CO2-elektrolysatorer til et minimum via molekylært indstillede miljøer, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101746

Journaloplysninger: Cell Rapporter Fysisk Videnskab

Leveret af Ruhr-Universitaet-Bochum