CO2-Abscheidung mittels Elektrokatalyse
Japanische Forscher haben ein elektrokatalytisches Verfahren entwickelt, das niedrigkonzentriertes CO2 selektiv reduziert und eine Kohlenstoffabscheidung ermöglicht. Es könnte CO2-Emissionen senken, zum Beispiel in der Schwerindustrie.
Die Rhenium-basierte Elektrokatalyse kann Luft und Abgasen aktiv CO2 entziehen. Und sie funktioniert schon bei niedrigen CO2-Konzentrationen.
Foto: Panthermedia.net/Olivier-Le-Moal
Chemiker des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) haben einen Weg gefunden, in Kohlenstoffdioxid gebundenen Kohlenstoff mithilfe eines elektrokatalytischen Systems abzuscheiden. Der entwickelte Elektrokatalysator funktioniert mit dem Metall Rhenium. Hierbei handelt es sich um ein silberweiß glänzendes, schweres Übergangsmetall, das in Legierungen und Thermoelementen aber auch als Katalysator in der Benzinherstellung verwendet wird. Das Besondere am Rhenium-Elektrokatalysator: Er ist in der Lage, niedrig konzentriertes CO2 (ca. 1 %) hoch selektiv und sicher zu reduzieren. Aus Sicht der Wissenschaftler könnte die Technologie genutzt werden, um CO2-Emissionen, beispielsweise in der Schwerindustrie oder aus Kraftwerken, zu senken und so dem Klimawandels entgegenzuwirken.
CO2-Abscheidung in Kraftwerken und Industrieprozessen
Zum Hintergrund: CO2 wirkt in der Atmosphäre bekanntermaßen als Treibhausgas und ist die Hauptursache der vom Mensch verursachten globalen Erwärmung. Die CO2-Abscheidung und -Speicherung umfasst verschiedene Verfahren und Technologien. Sie alle sollen die CO2-Emissionen von Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen, Industrieprozessen und im Bergbau reduzieren. Die Verfahrensschritte sind die Abscheidung, der Transport (falls erforderlich) und die geologische Speicherung des CO2.
Verschiedene großtechnische Vorhaben beschäftigen sich derzeit damit, Kohlendioxid vor allem in Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen abzuscheiden und zu speichern, um den CO2-Gehalt in der Atmosphäre zu senken. Das CO2 soll direkt am Ort der Entstehung, zum Beispiel an einem Kraftwerk abgespalten und „dauerhaft“ in unterirdischen Lagerstätten eingelagert werden. Nahezu alle Vorhaben zur CO2-Abscheidung und -Speicherung befinden sich jedoch noch im Entwicklungs- und Pilotstadium. Sie sind aktuell weder wirtschaftlich, noch lassen sie sich im realen Kraftwerksbetrieb oder in Industrieprozessen umsetzen – trotz jahrelanger Forschung.
Katalytische CO2-Abscheidung: Rhenium plus Triethanolamin
Die von Osamu Ishitani vom Institut für Chemie geleitete Studie konnte nun die Vorteile der Elektrokatalyse bei der Abscheidung von CO2 mit niedriger Konzentration zeigen. In ihrer in der Fachzeitschrift Chemical Science veröffentlichten Studie konnte ein auf Rhenium basierender Elektrokatalysator niedrig konzentriertes CO2 in Gegenwart der Chemikalie Triethanolamin (TEOA) hoch selektiv reduzieren. Bei ihrer Entwicklung stützten sich die Wissenschaftler auf jahrzehntelange Erfahrungen mit Rhenium-Katalysatoren.
Bisherige Studien hatten sich fast ausnahmslos auf die Abscheidung von reinem, also hoch konzentriertem CO2 fokussiert. Nur wenige Forschergruppen haben sich bisher damit beschäftigt, wie sich niedrig konzentriertes CO2 abscheiden lässt. Dabei spiegelt eine niedrige CO2-Konzentration die realen Verhältnisse viel besser wider: So haben etwa Abgase aus der Schwerindustrie einen niedrigen CO2-Gehalt, der zwischen 3% und 13% liegt. Auch Pflanzen verwerten die CO2-Konzentration der Luft. Und die ist mit aktuell ca. 0,04% noch deutlich niedriger. Daher sei umso erstaunlicher, dass sich die Forschung bisher kaum mit niedrig konzentriertem CO2 auseinandergesetzt habe, so die japanischen Wissenschaftler.
Hoch selektive CO2-Abscheidung von 94%
Die entwickelte Elektrokatalyse verzichtet auf energieintensive Kondensationsprozesse. Sie ist daher als praktikable, umweltfreundliche Form der CO2-Abscheidung für viele Industriezweige geeignet. In einer Reihe von Experimenten zur Bewertung der elektrokatalytischen Aktivität stellten die Forscher fest, dass der Katalysator auf Rheniumbasis bereits bei einer CO2-Konzentration von 1% eine Selektivität von 94% aufwies. Ein wahrscheinlicher Grund für die hohe Leistung sei die effiziente Bindung des in CO2 vorkommenden Sauerstoffs durch Rhenium unter Anwesenheit von Triethanolammin, so die Wissenschaftler.
Die rheniumbasierte Elektrokatalyse könnte ein Weg sein, um die CO2-Emissionen zu senken. Das ist erforderlich, um die im Pariser Klimaabkommen von 2015 vereinbarte durchschnittliche Erwärmung bei maximal 1,5 °C zu halten. Nach Berechnungen des Weltklimarats IPCC können hier auch „negative Emissionen“ notwendig sein, also das aktive Entziehen von CO2 aus der Atmosphäre.
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