Den Kohlenstoffkreislauf mit grüner Propanproduktion schließen

Wissenschaft und Technologie

In den letzten drei Jahrhunderten, insbesondere seit der industriellen Revolution im späten 18. und 19. Jahrhundert, haben menschliche Aktivitäten den Treibhausgasgehalt in der Erdatmosphäre erheblich erhöht. Die Hauptverursacher sind der Verbrauch fossiler Brennstoffe, industrielle Prozesse, Abholzung und Abfallwirtschaft.

Als Reaktion darauf streben die Vereinigten Staaten an, die Treibhausgasemissionen bis 2030 um 50 bis 52 % gegenüber dem Niveau von 2005 zu senken. Diese Initiative steht im Einklang mit den weltweiten Bemühungen, bis 2050 Netto-Treibhausgasemissionen von Null zu erreichen Die Hälfte der Kohlendioxidemissionen (CO2) in den USA verursacht eine Lösung. Daher ist es unerlässlich, in diesen Bereichen Lösungen zu finden.

Jetzt haben Forscher der University of Pennsylvania, des Illinois Institute of Technology und der University of Illinois in Chicago in einem in Nature Energy veröffentlichten Artikel ein System entwickelt, das CO2-Emissionen in Propan (C3H8) umwandeln kann, ein saubereres, energiereicheres dichte Brennstoffquelle.

„Die elektrochemische Umwandlung von CO2 kann den zukünftigen Energiebedarf decken, indem sie erneuerbare Energie speichert und den anthropogenen Kohlenstoffkreislauf schließt“, sagt Co-Autor Andrew Rappe von der School of Arts & Sciences in Penn. „Diese Forschung ebnet den Weg für neue Lösungen, die die Herausforderungen der Energiespeicherung bewältigen und den CO2-Ausstoß deutlich reduzieren.“

„Die Herstellung erneuerbarer Chemikalien ist wirklich wichtig“, sagt Co-Autor Mohammad Asadi vom Illinois Institute of Technology. „Es ist der beste Weg, den Kohlenstoffkreislauf zu schließen, ohne die Chemikalien zu verlieren, die wir derzeit täglich verwenden.“

Kupfer ist traditionell das bevorzugte Element für Forscher, die effiziente Möglichkeiten zur Umwandlung von CO2 in wertvolle Chemikalien und Kraftstoffe untersuchen, um sowohl seine Umweltauswirkungen einzudämmen als auch neue Energiespeicherlösungen bereitzustellen. Bei den produzierten Kraftstoffen handelte es sich jedoch um Einzelkohlenstoffverbindungen mit niedriger Energiedichte wie Methan.

„Die Gewinnung energiereicher Multikohlenstoffprodukte wie C3H8 ist aufgrund der vielen Zwischenprodukte, die sich während des chemischen Umwandlungsprozesses bilden, nach wie vor eine Herausforderung“, erklärt Zhen Jiang, Co-Erstautor der Arbeit und ehemaliger Postdoktorand der Rappe Group. „Außerdem sind die meisten Strategien zur Erhöhung der Selektivität eines Materials für Moleküle mit mehreren Kohlenstoffatomen tendenziell energetisch kostspielig.“

Jiang sagt, dass das Team nach Wegen suchte, über bestehende Katalysatoren wie Kupfer – und ihre bescheidene Selektivität für Produkte mit mehreren Kohlenstoffatomen oder ihre träge Kinetik – hinauszugehen und Möglichkeiten untersuchte, dem katalytischen System ionische Flüssigkeit (IL) hinzuzufügen. Dies veranlasste das Team, Trimolybdänphosphid (Mo3P) als katalytisches Material in Betracht zu ziehen.

„Basierend auf unseren theoretischen Simulationen haben wir herausgefunden, dass die IL-Schicht die Haftung von CO2 und nachfolgenden Gruppen während der Reaktion auf der Mo3P-Katalysatoroberfläche verbessern und so die Zwischenprodukte an verschiedenen Stellen entlang der Oberfläche stabilisieren kann, um C3H8 mit einer beispiellosen Effizienz von 91 % zu erzeugen. “, sagt Jiang.

Das Team stellt außerdem fest, dass diese wichtige Erkenntnis zu einem neuen Paradigma für die Erforschung der Beziehung zwischen Materialien in elektrokatalytischen Systemen führte.

„Konventionell wirkten der Festkörperkatalysator und die wässrige Lösung, die den Ionentransfer während der Reaktion überbrückt, an der Grenzfläche mit weniger gegenseitiger Unterstützung“, sagt Jiang. „Aber jetzt können wir einen hybriden Ansatz mithilfe von Techniken wie der IL-Beschichtung auf Festkörperkatalysatoren anwenden und zuvor erprobte Systeme mit unserem neuen Verständnis der Mikroumgebung des Katalysators erneut untersuchen.“

Mit Blick auf die Zukunft planen die Forscher, auf dieser Forschung auf zwei Arten aufzubauen: erstens, um einen Katalog ionischer Flüssigkeiten und ihrer Wirksamkeit in Kraftstoff erzeugenden Katalysatoren und anderen elektrochemischen Systemen zu entwickeln; und zweitens untersuchen wir neue Katalysatoren für die Umwandlung von CO2 in energiedichtere Kraftstoffquellen von Brenngas bis hin zu Leichtöl mit mehr Kohlenstoffatomen.

Rappe sagt: „Eine Ausweitung dieser Forschung auf höhergewichtige Kohlenwasserstoffe könnte den Kohlenstoffkreislauf schließen, indem Erdgas, Propan, Benzin und sogar Kerosin direkt aus dem CO2 erzeugt werden, das bei der vorherigen Kraftstoffverbrennung entsteht.“ Auf diese Weise speichern dieselben Kohlenstoffatome immer wieder Energie und wir geben sie nicht an die Atmosphäre ab.“

Andrew M. Rappe ist Blanchard-Professor für Chemie im Department of Chemistry der School of Arts & Sciences, mit einer sekundären Anstellung im Department of Materials Science and Engineering der School of Engineering and Applied Sciences. Er ist außerdem Co-Leiter des Vagelos Integrated Program in Energy Research an der University of Pennsylvania.

Mohammad Asadi ist Assistenzprofessor der Abteilung für Chemie- und Biotechnik am Illinois Institute of Technology.

Zhen Jiang ist ein ehemaliger Postdoktorand in der Rappe-Gruppe an der School of Arts & Sciences in Penn.

Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (Zuschüsse CBET-2135173, DMR-1121262, DMR-0959470, EEC−0647560 und DMR-1809439), der Advanced Research Projects Agency-Energy OPEN2021, SHV Energy und dem Nanoscale Science and Engineering Center unterstützt , das Energieministerium (Zuschüsse DE-SC0019281 und DE-AR0001581) und das National Energy Research Scientific Computing Center (DE-AC02-05CH11231).