In den letzten Jahren haben verschiedene Forschungsteams weltweit an der Entwicklung von Technologien gearbeitet, um CO2, ein Haupttreibhausgas, in nützliche Produkte umzuwandeln. Ziel ist es, einen Beitrag zur Lösung der Klimakrise zu leisten und - bestenfalls - gleichzeitig wirtschaftlichen Mehrwert zu schaffen.
Ein besonders vielversprechender Ansatz ist die Umwandlung von CO2 in Kohlenstoffnanofasern. Forscher haben nun einen Weg gefunden, diese Methode effizienter und potentiell durchaus lukrativ zu gestalten.
Elektrochemisches Verfahren: CO2 kann aus der Atmosphäre entfernt werden
Forscher des Brookhaven National Laboratory und der Columbia University haben einen bemerkenswerten Fortschritt in der Umwelttechnik erzielt, indem sie ein schnelleres Verfahren entwickelt haben, um Kohlendioxid (CO2) in Kohlenstoffnanofasern umzuwandeln. Der in "Nature Catalysis" beschriebene elektrochemische Prozess ermöglicht es also, CO2 in einen festen Zustand umzuwandeln und es somit aus der Atmosphäre zu entfernen. Dieser Durchbruch könnte zur Reduzierung des CO2-Niveaus in der Luft beitragen und dadurch zur Entlastung des Klimas führen.
Wie funktioniert der Prozess?
Der elektrochemische Prozess der Umwandlung von CO2 in Kohlenstofffasern umfasst die Verwendung eines Katalysators und die Zufuhr von Energie, um die chemische Reaktion zu ermöglichen. CO2 wird dabei unter bestimmten Bedingungen (z.B. hohen Temperaturen und Druck) in feste Kohlenstofffasern umgewandelt. Genauer gesagt wird CO2 in Elektrolyte aufgelöst und durch das Anlegen einer elektrischen Spannung in Kohelnstoffnanofasern (CNF) und Sauerstoff (O₂) aufgespaltet. Der Schlüssel zu dieser Methode liegt in der Verwendung eines speziell entwickelten Katalysators, der die Umwandlungseffizienz erheblich steigert.
Dennoch fanden die Forscher heraus, dass Kohlenmonoxid (CO) ein effektiverer Rohstoff für die Herstellung von Kohlenstoffnanofasern (CNF) ist als CO₂. Die Herausforderung lag darin, den Kohlenstoff aus dem CO₂ zu extrahieren und ihn in diese feinen Strukturen umzuwandeln. Um dies zu erreichen und die Reaktion zu vereinfachen, teilten die Wissenschaftler den Prozess in zwei Schritte und nutzten zwei Arten von Katalysatoren: Elektrokatalyse und Thermokatalyse.
"Durch die Aufteilung der Reaktion in mehrere Schritte können unterschiedliche Energiequellen und Katalysatortypen eingesetzt werden, um jede Phase der Umwandlung zu aktivieren", erläutert der Hauptautor Zhenhua Xie.
Revolutionärer Prozess: schneller, effizienter und vielversprechend
Der herkömmliche Ansatz zur Umwandlung von CO2 in festen Kohlenstoff erforderte bisweilen extrem hohe Temperaturen von etwa 1.000 Grad Celsius sowie hohen Druck – Bedingungen, die eine umweltschonende Umsetzung fast ausschließen. "Eine umfangreiche CO2-Reduzierung erscheint mit dieser Methode sehr unwahrscheinlich", erklärt Jingguang Chen von der Columbia University.
Doch im Gegensatz dazu hat Chen einen Prozess entwickelt, der bei rund 400 Grad Celsius stattfindet - eine wesentlich realistischere und für die Industrie umsetzbare Temperatur. Der Schlüssel liegt darin, die Reaktion in Stufen zu gliedern und zwei unterschiedliche Katalysatortypen zu nutzen, also Materialien, die chemische Reaktionen stark beschleunigen. Die Forschungsgruppe konnte für ihre Arbeit auf einen bereits etablierten handelsüblichen Elektrokatalysator aus Palladium zurückgreifen, der chemische Reaktionen mit elektrischem Strom vorantreibt. Darüber hinaus entdeckten die Wissenschaftler im Laufe ihrer Experimente, dass das Hinzufügen von etwas zusätzlichem metallischen Kobalt die Erzeugung von Kohlenstoffnanofasern signifikant fördert.
Was sind Kohlenstoffnanofasern und was sind die Vorteile?
Kohlenstoffnanofasern (CNF) sind extrem dünne Fasern, bestehend aus Kohlenstoffatomen, die in kristallinen Formationen angeordnet sind. Sie zeichnen sich durch ihre außerordentliche Stärke bei gleichzeitig geringem Gewicht aus sowie durch eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Diese Eigenschaften machen Kohlenstoffnanofasern für eine Vielzahl von Anwendungen attraktiv, von verstärkten Verbundmaterialien über Batterieelektroden bis hin zu Hochleistungskabeln.
Projektleiter Jingguang Chen erklärt, dass das Ziel sei, feste Kohlenstoffprodukte wie Nanoröhren und -fasern zu erzeugen, die besondere Eigenschaften, wie thermische und elektrische Leitfähigkeit, aufweisen.
Ebenso können Kohlenstoffnanofasern zu Stoffen wie Zement hinzugefügt werden, was dessen Festigkeit erhöht und dazu führt, dass der Kohlenstoff im Beton für mindestens ein halbes Jahrhundert, vielleicht sogar länger, eingeschlossen wird. Parallel dazu sollte bis dahin der Wechsel zu erneuerbaren Energien erfolgt sein, die keinerlei Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre abgeben.
Die Umwandlung von CO2 in Kohlenstofffasern bietet also viele Vorteile. Es ist ein Ansatz, der hilft, das Niveau an CO2 in der Atmosphäre zu reduzieren und gleichzeitig wertvolle Materialien für die Industrie bereitzustellen. Im Vergleich zu anderen Methoden der CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) kann dieser Ansatz nicht nur die CO2-Emissionen verringern, sondern auch einen direkten wirtschaftlichen Nutzen erzeugen.
Ein recycelbarer Katalysator und Wasserstoff als nützliches Nebenprodukt
Untersuchungen mit dem Transmissionselektronenmikroskop ergaben, dass der Katalysator während des Wachstums der Kohlenstoffnanofasern von deren Oberfläche abgestoßen wird, was das Wiederverwenden des Katalysatormaterials vereinfacht. Außerdem fällt bei diesem Vorgang Wasserstoff an, der als alternativer Energieträger genutzt werden kann: Unter Einwirkung von Elektronen und Protonen zerlegt dieser Katalysator CO₂ und Wasser (H₂O) in CO und H₂.
Chen ergänzt, dass ihre Forschung zeigt, wie diese kombinierte Methode es ermöglicht, CO2 in nützliche Feststoffe umzuwandeln und dabei gleichzeitig erneuerbaren Wasserstoff zu produzieren. Wenn man diese Techniken mit erneuerbaren Energiequellen antreibt, ließe sich die Menge an CO2 in der Luft wirksam verringern.
Ausblick und Hindernisse
Zusammenfassend bietet die Forschung zur Umwandlung von CO2 in Kohlenstofffasern einen spannenden Ansatz zur Bekämpfung der Klimakrise. Während die Technologie noch vor einigen Herausforderungen steht, ist das Potenzial für positive Umwelt- und wirtschaftliche Auswirkungen enorm. Die Weiterentwicklung dieser Technologien könnte einen bedeutenden Beitrag zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen leisten und gleichzeitig neue Materialien für die Industrie bereitstellen.
Trotz der vielversprechenden Aspekte stehen Forschende vor einigen Herausforderungen. Die Effizienz der Umwandlungsprozesse muss verbessert werden, um sie wirtschaftlich rentabel zu machen. Die Kosten für die benötigte Energie und die Katalysatoren sind ebenfalls kritische Faktoren. Zudem muss die Skalierbarkeit der Technologie für eine breitere industrielle Anwendung weiterentwickelt werden. Die Herausforderung liegt darin, diese Technologien umweltfreundlich und kosteneffektiv zu gestalten, damit sie eine praktikable Lösung für die Reduzierung der globalen CO2-Emissionen darstellen. Nichtsdestotrotz bietet die Technologie eine vielversprechende Perspektive für die Zukunft der CO2-Abscheidung und -Nutzung.
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