CO2-Speicherung: Kombi-Katalyse wandelt CO2 aus der Luft in Carbonfasern um

CO2, das durch menschliche Aktivitäten in die Atmosphäre eingebracht wird, spielt eine maßgebliche Rolle bei der Erderwärmung. Neben der Reduzierung der CO2-Emissionen ist das Senken der CO2-Konzentration in der Luft ein mögliches Mittel im Kampf gegen den Klimawandel. Weltweit arbeiten Forscher:innen daher an Möglichkeiten, CO2 aus der Luft zu entfernen und dann dauerhaft zu speichern. Dafür sind jedoch oft hohe Temperaturen, ein hoher Druck und viel Energie nötig. Zudem sind gängige CO2-Capture-Verfahren nicht besonders effizient. Forscher:innen haben nun eine Tandem-Reaktion entwickelt, mit deren Hilfe in zwei katalytischen Schritten aus CO2 und Wasser Carbonfasern entstehen. Mit dem Verfahren lassen sich demnach Emissionen kompensieren. Als Nebenprodukt entsteht Wasserstoff.

Zwei verschiedene Reaktionen als Kombo

Das von den Forscher:innen entwickelte chemische Verfahren kombiniert zwei Reaktionen miteinander: Die elektrochemische Co-Reaktion von Kohlendioxid und Wasser zu Kohlenmonoxid, Sauerstoff und Wasserstoff sowie eine thermochemische Folgereaktion von CO zu atomaren Kohlenstoff. Aus dem Kohlenstoff, der das Endprodukt der Kombi-Reaktion ist, können dann feste Carbonfasern mit einem Durchmesser von etwa 20 Nanometern gebildet werden. Pro Stunde und pro Gramm Metallkatalysator konnten in ersten Tests etwa 2,5 Gramm Carbonfaser gebildet werden, erläutert das Team.

Die Aufteilung der Reaktion in zwei Phasen ermöglicht es, für jede Phase einen unterschiedlichen Katalysator zu verwenden. Bei der Suche nach den idealen Katalysatoren griffen die Forscher:innen auf klassische chemische und physikalische Experimente und auf Computersimulationen zurück. Für das Verfahren verwendeten sie dann einen Elektrokatalysator aus Palladium und Kohlenstoff für den ersten Schritt und einen Thermokatalysator aus einer Eisen-Kobalt-Legierung und metallischem Kobalt. Die Legierung bricht die C-O-Bindungen im Kohlenmonoxid auf, während das Kobalt die Bildung von neuen C-C-Bindungen für die Carbonfasern begünstigt. „Durch die Kopplung von Elektrokatalyse und Thermokatalyse in diesem Tandemprozess, erreichen wir Dinge, die mit keinem der beiden Prozesse allein erreicht werden können“, so Seniorautor Jingguang Chen vom Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums.

Auf dem Weg zu Netto-Null-Emissionen

Bei Carbonfasern handelt es sich um ein vielseitiges und robustes Material. Die Fasern leiten Strom und Wärme und können für zahlreiche Zwecke verwendet werden. So werden Carbonfasern etwa verwendet, um Zement zu verstärken. Im Falle der durch das Verfahren der Forscher:innen hergestellten Carbonfasern würde der Kohlenstoff dann für mindestens 50 Jahre im Beton gebunden bleiben, vielleicht auch länger. „Bis dahin sollte die Welt auf vorrangig erneuerbare Energiequellen umgestellt werden, die kein CO2 ausstoßen„, hofft Chen.

Der Ansatz der Forscher:innen könnte genutzt werden, um Kohlenstoff aus der Atmosphäre in Form eines Feststoffes mit vielen Anwendungsmöglichkeiten zu speichern. So könnten langfristig CO2-Emissionen kompensiert werden, was das Erreichen des Ziels von Netto-Null-Emissionen oder sogar negativen Emissionen unterstützen würde. Und als Bonus fällt bei der Kombi-Reaktion Wasserstoff als Nebenprodukt an. Das Gas könnte dann entsprechend als Energieträger verwendet werden. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese Tandemstrategie eine Tür für die Dekarbonisierung von CO2 in wertvolle feste Kohlenstoffprodukte öffnet und gleichzeitig erneuerbaren Wasserstoff produziert„, erklärt Chen.

Allerdings kann das Verfahren nur dann wirtschaftlich und nachhaltig sein, wenn die Katalysatoren mehr als einmal verwendet werden können. Aus diesem Grund entwickelten die Forscher:innen eine Methode, mit der die Carbonfasern wie4der von den Katalysatoren getrennt werden können. „Wir verwenden Säure, um das Metall herauszulösen, ohne die Kohlenstoff-Nanofasern zu zerstören, sodass wir die Metalle konzentrieren und recyceln können, um sie erneut als Katalysator zu verwenden„, erklärt Chen.

Der Prozess sei damit unterm Strich sowohl kostengünstig als auch energiearm. Würde das Verfahren durch erneuerbare Energien angetrieben, dann wäre es im Ergebnis sogar CO2-negativ.

via Brookhaven National Laboratory

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