Onderzoeksgroepen over de hele wereld ontwikkelen technologieën om kooldioxide (CO₂) om te zetten ) tot grondstoffen voor industriële toepassingen. De meeste experimenten onder industrieel relevante omstandigheden zijn uitgevoerd met heterogene elektrokatalysatoren, dat wil zeggen katalysatoren die zich in een andere chemische fase bevinden dan de reagerende stoffen. Homogene katalysatoren, die zich in dezelfde fase bevinden als de reactanten, worden echter over het algemeen als efficiënter en selectiever beschouwd. Tot op heden zijn er geen opstellingen geweest waar homogene katalysatoren onder industriële omstandigheden getest konden worden.

Een team onder leiding van Kevinjeorjios Pellumbi en professor Ulf-Peter Apfel van de Ruhr Universiteit Bochum en het Fraunhofer Instituut voor Milieu-, Veiligheids- en Energietechnologie UMSICHT in Oberhausen heeft deze kloof nu gedicht. De onderzoekers schetsten hun bevindingen in het tijdschrift Cell Reports Physical Science . Het artikel is gepubliceerd op 13 december 2023.

"Ons werk is erop gericht de grenzen van de technologie te verleggen om een ​​efficiënte oplossing voor CO₂ tot stand te brengen conversie die het klimaatschadelijke gas zal transformeren in een nuttige hulpbron”, zegt Ulf-Peter Apfel. Zijn groep werkte samen met het team onder leiding van professor Wolfgang Schöfberger van de Johannes Kepler Universiteit Linz en onderzoekers van het Fritz Haber Instituut in Berlijn.

Efficiëntie en langdurige stabiliteit

Het team onderzocht de conversie van CO₂ met behulp van elektrokatalyse. Daarbij levert een spanningsbron elektrische energie, die via elektroden aan het reactiesysteem wordt toegevoerd en de chemische omzettingen aan de elektroden aanstuurt. Een katalysator vergemakkelijkt de reactie; bij homogene elektrokatalyse is de katalysator meestal een opgelost metaalcomplex. In een zogenaamde gasdiffusie-elektrode is het uitgangsmateriaal CO₂ stroomt langs de elektrode, waar de katalysatoren het omzetten in koolmonoxide. Dit laatste is op zijn beurt een veelgebruikt uitgangsmateriaal in de chemische industrie.

De onderzoekers integreerden de metaalcomplexkatalysatoren in het elektrodeoppervlak zonder ze er chemisch aan te binden. Ze lieten zien dat hun systeem CO₂ efficiënt kon omzetten :Het genereerde stroomdichtheden van meer dan 300 milliampère per vierkante centimeter. Bovendien bleef het systeem meer dan 100 uur stabiel zonder enige tekenen van verval te vertonen.

Het is niet nodig om de katalysator te verankeren

Dit alles betekent dat voor elektrolysecellen doorgaans homogene katalysatoren kunnen worden toegepast. "Ze vereisen echter wel een specifieke elektrodesamenstelling", zegt Ulf-Peter Apfel. Meer specifiek moeten de elektroden directe gasconversie mogelijk maken zonder oplosmiddelen, zodat de katalysator niet van het elektrodeoppervlak weglekt. In tegenstelling tot wat vaak in de vakliteratuur wordt beschreven, is er geen behoefte aan een dragermateriaal dat de katalysator chemisch aan het elektrodeoppervlak koppelt.

"Onze bevindingen openen de mogelijkheid om hoogwaardige en gemakkelijk variabele homogene elektrokatalysatoren te testen en te integreren in toepassingsscenario's voor elektrochemische processen", besluit Apfel.

Meer informatie: Kevinjeorjios Pellumbi et al., De belasting van CO2-elektrolyzers tot een minimum beperken via moleculair afgestemde omgevingen, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101746

Journaalinformatie: Celrapporten natuurwetenschappen

Aangeboden door Ruhr-Universitaet-Bochum