Methanol, das für die Herstellung vieler Güter des täglichen Bedarfs und für die Erzeugung grüner Energie wichtig ist, könnte dank der Zusammenarbeit mit zwei Forschern der Oregon State University bald schneller und effizienter hergestellt werden. Zhenxing Feng und Alvin Chang vom OSU College of Engineering halfen bei der Charakterisierung eines neuartigen Elektrokatalysators, der von Mitarbeitern der Yale University entwickelt wurde, und erklärten die verbesserte Effizienz bei der Gewinnung von Methanol aus Kohlendioxid, einem Treibhausgas, das zu einem großen Teil für den globalen Klimawandel verantwortlich ist.
Methanol aus Kohlendioxid
Die Ergebnisse der Studie, die von der National Science Foundation und dem Yale Center for Natural Carbon Capture finanziert wurde, wurden in Nature Nanotechnology veröffentlicht. Der Dual-Site-Katalysator der Forscher ist das Ergebnis der Kombination von zwei verschiedenen katalytischen Stellen an benachbarten Stellen, die durch etwa 2 nm getrennt sind, auf Kohlenstoff-Nanoröhren und stellt eine Verbesserung gegenüber früheren Single-Site-Katalysatoren dar. Das neue Design erhöht die Methanolproduktionsrate und führt zu einer höheren Faraday-Effizienz von 50 Prozent, was bedeutet, dass weniger Energie für die Katalyse der Reaktion verschwendet wird. Die vorherige Version mit nur einem Standort arbeitete mit einem Wirkungsgrad von weniger als 30 Prozent.
„Methanol ist ein flexibler chemischer Rohstoff, der für Hunderte gängiger Produkte, darunter Kunststoffe, Chemikalien und Lösungsmittel, verwendet wird“, so Chang, Doktorand an der OSU. „Es ist auch ein vielversprechender grüner Treibstoff, der aus schädlichen Kohlenstoffemissionen mit erneuerbarer elektrischer Energie über einen Prozess namens elektrochemische CO2-Reduktion hergestellt werden kann, was gleichzeitig zur Bewältigung von Umweltproblemen und Energiebedarf beiträgt.“
Methanol, auch bekannt als Holzalkohol, ist eine relativ sauber verbrennende Verbindung, die in Brennstoffzellen, als Alternative zu Benzin in Verbrennungsmotoren, als Treibstoff für Schiffe und zur Stromerzeugung eingesetzt werden kann. Neben Kohlendioxid, das vor allem durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe in die Atmosphäre gelangt, kann Methanol aus Quellen wie landwirtschaftlichen und kommunalen Abfällen hergestellt werden – es hat also das Potenzial, zur Verringerung der Treibhausgasemissionen beizutragen und den Übergang zu umweltfreundlicheren Energiequellen zu unterstützen, so die Forscher.
Verbesserte Methanolproduktion
Ein Katalysator ist alles, was die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei selbst verbraucht zu werden, und ein Elektrokatalysator ist ein Material, das eine elektrochemische Reaktion beschleunigt, indem es ihre Aktivierungsenergie senkt. Kobalt-Phthalocyanin-Moleküle auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind eines der wenigen Moleküle, die die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid zu Methanol katalysieren können, so Feng, außerordentlicher Professor an der OSU. Ein Nachteil der früheren Generation dieses Katalysators, der als einzige aktive Stellen Kobalt-Tetraaminophthalocyanin-Moleküle enthält, ist seine relativ geringe Selektivität für Methanol.
Die elektrochemische Kohlendioxid-Reduktionsreaktion läuft in zwei Teilen ab, so Chang. Kohlendioxid wird zunächst in Kohlenmonoxid umgewandelt, das dann in Methanol umgewandelt wird. „Der Single-Site-Katalysator ist durch einen Kompromiss begrenzt“, sagte er. „Bei dem optimalen Potenzial für die Katalyse der Umwandlung von Kohlenmonoxid in Methanol ist er bei der Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid nicht effizient.“ Das Forschungsteam führte Nickel-Tetramethoxyphtyalocyanin in das System ein und stellte fest, dass es den Schritt von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid katalysieren kann, was zu einer verbesserten Methanolproduktion führt.
„Der hybride Katalysator weist eine beispiellos hohe katalytische Effizienz auf, die fast 1,5 Mal höher ist als die bisher beobachtete“, so Feng. „Fortgeschrittene Vibrations- und Röntgenspektroskopie zeigte, dass die Verbesserung auf den Transfer von Kohlenmonoxid von einer Nickelstelle zu einer Kobaltstelle auf demselben Kohlenstoffnanoröhrchen zurückzuführen ist.“ Hailiang Wang von der Universität Yale leitete die Studie, an der auch Forscher der Ohio State University und der Southern University of Science and Technology in Shenzhen, China, beteiligt waren.
