Zyklische Emissionen – Methan aus Kohlendioxid erzeugen

Ein neuer Prozess, der Wissenschaftlern ermöglicht, Methan aus Kohlendioxid zu erzeugen, könnte den Markt revolutionieren und Herstellern geschlossene Kohlenstoffkreisläufe ermöglichen. Der Prozess nutzt Elektrochemie und fortgeschrittene mathematische Modelle, um erfasstes CO₂ direkt in nützliches Methan umzuwandeln. Hier ist, was Sie wissen müssen.

Kohlendioxid ist ein schädliches Treibhausgas und einer der Hauptursachen für die globale Erwärmung und andere Umweltprobleme. Wissenschaftler haben viele Methoden entwickelt, um die Auswirkungen von CO2 auf die Umwelt zu bekämpfen. Von der Reduzierung von Emissionen, der Förderung sauberer Energie bis hin zur Einführung von CO2-Steuern, das Ziel war stets, die schädlichen Effekte von CO2 zu verringern.

Kohlenstoffabscheidungssysteme

Das Konzept der Kohlenstoffabscheidung ist in den letzten fünf Jahren immer populärer geworden. Diese Systeme entfernen CO2 aus der Atmosphäre und speichern es. Es gibt viele Wege, wie Ingenieure diese Aufgabe umgesetzt haben. Die meisten nutzen chemische Reaktionen, um CO2 von anderen Gasen zu isolieren und es dann in andere wertvolle Chemikalien umzuwandeln.

Diese Konzepte haben sich als erfolgreich erwiesen, befinden sich jedoch noch in einem frühen Stadium, wobei die meisten nach wie vor teuer und nicht skalierbar sind. Damit diese Technologie wirklich wirksam wird, muss sie auf industrielles Niveau hochgefahren werden, um optimale Ergebnisse für die Gemeinschaft zu liefern.

Mehrstufiger Prozess

Ein weiteres großes Hindernis bei den heute gängigsten Formen der Kohlenstoffabscheidung ist, dass sie mehrere Schritte erfordern können. Jeder Schritt kann Zeit beanspruchen und sehr spezifische Prozesse benötigen. In den meisten Fällen besteht der erste Schritt darin, CO2 zu erfassen und zu sammeln. Von dort aus führt jedes System seinen Prozess zur vollständigen Umwandlung durch. Jede chemische Reaktion erhöht die Zeit, Komplexität und Gesamtkosten.

Gefährliche Chemikalien

Viele der heute beliebtesten Kohlenstoffabscheidungsoptionen auf dem Markt basieren auf chemischen Reaktionen. Diese Systeme erzeugen schädliche Nebenprodukte, die die Vorteile etwas mindern. Gefährliche Chemikalien müssen auf spezielle Weise gelagert, transportiert und entsorgt werden, was die Gesamtkosten pro Pfund erfasst­en Kohlenstoff erhöht.

Cyclical Emissions Study

Eine kürzlich im Journal of the American Chemical Society veröffentlichte Studie mit dem Titel „Integrated Carbon Dioxide Capture by Amines and Conversion to Methane on Single-Atom Nickel Catalysts“¹ untersucht eine neue Methodik, die den Energiebedarf reduziert und möglicherweise eigenständig betrieben werden kann. Die Studie erklärt ein Verfahren, das CO2 sicher in Methan umwandelt.

Quelle – Journal of the American Chemical Society

Diese Entwicklung ist ein bedeutender Meilenstein, da Kohlendioxid eines der Hauptnebenprodukte bei der Verbrennung von Methan ist. Wissenschaftler streben seit langem an, einen geschlossenen Kohlenstoffkreislauf zu schaffen. Dieser Begriff bezieht sich auf ein System, das seine Nebenprodukte nutzt, um den Betrieb fortzusetzen. Insbesondere beschreibt das Papier, wie sie erfolgreich die Umwandlung von Carbamat zu Methan erreicht haben.

Im Papier wurde CO2 mit einer Amin-Absorptionslösung erfasst. Das Carbamat wurde anschließend durch einen nickelbasierten Katalysator geleitet, der Nickel‑Atome in einem spezifischen Muster aufwies, das auf fortgeschrittenen mathematischen Modellen basierte.

Cyclical Emissions Test

Um zu prüfen, ob die Umwandlung abgeschlossen war, setzten die Ingenieure verschiedene hochmoderne Forschungsmethoden ein, darunter Röntgen‑Photoelektronenspektroskopie (XPS) und Elektronenmikroskopie (EM). Diese Geräte zeigten, dass die Umwandlung erfolgreich abgeschlossen wurde und CO2 in Methan umgewandelt wurde.

Die Ingenieure nutzten Dichtefunktionaltheorie‑Berechnungen (DFT) als Teil ihres Ansatzes. Diese Modelle ermöglichten es ihnen, durch Abbildung der optimalen Elektronenverteilung besser vorherzusagen. Zusätzlich integrierten die Ingenieure ein Modell der rechnerischen Wasserstoffelektrode (CHE), um die freien Reaktionsenergien zu berechnen. Dieses war auch entscheidend, um die genauen protonengekoppelten Elektronentransfer‑Schritte jeder Reaktion zu bestimmen.

Cyclical Emissions Results

Die Ergebnisse zeigten, dass das einzelne Nickel‑Atom (Ni), verteilt auf Gold (Au), CH4 als Hauptprodukt erzeugte. Es zeigte, dass das Team erfolgreich CO2 zu Methan umwandelte und jeden Schritt des Prozesses nachverfolgte. Das Ziel ist nun, die Effizienz zu verbessern, um die Energieerzeugung jedes geschlossenen Kreislaufs zu maximieren.

Cyclical Emissions Benefits

Diese Forschung bringt mehrere Vorteile für den Markt. Erstens rationalisiert die neue Methode die Erfassung und Umwandlung von Carbamat in ein nützliches Produkt, Methan. Der Prozess ist schnell und erzeugt keine schädlichen oder nutzlosen Nebenprodukte. Außerdem benötigt er keine enormen Mengen an Strom.

Niedriger Energieverbrauch

Laut den Forschern bietet diese neue Methode die niedrigstmöglichen Energieanforderungen für diejenigen, die Kohlenstoffabscheidung und -umwandlung anstreben. Die elektrochemischen Reaktionen sind effizient und kostengünstiger als Alternativen und können vor Ort durchgeführt werden.

Ein-Schritt‑Verfahren

Ein weiterer Vorteil dieser neuen Methode zur Kohlenstoffabscheidung und -umwandlung besteht darin, dass sie jeden Schritt zu einem einzigen Verfahren kombiniert. Einzigartig wird der Kohlenstoff in einem Schritt erfasst und umgewandelt. Dieser Ansatz reduziert die Komplexität, verbessert die Stabilität und bietet deutlich mehr Transparenz.

Forscher

Tomaz Neves‑Garcia leitete die Studie, die an der Ohio State University durchgeführt wurde. Zusätzlich werden Quansong Zhu, Robert Baker, Liane M. Rossi, Mahmudul Hasan, Robert E. Warburton, Jing Li und Hailiang Wang von der Yale University als Mitautoren der Studie aufgeführt. Jetzt strebt das Team an, ihren Prozess zu skalieren, um den Industriesektor zu bedienen.

Unternehmen, die von der Forschung zu zyklischen Emissionen profitieren könnten

Mehrere Unternehmen könnten ihre Gewinnspanne verbessern, wenn sie diese Forschung in ihre Geschäftsmodelle integrieren. Diese Unternehmen sind bereits im Bereich der Kohlenstoffabscheidung oder des Erdgases tätig und haben erhebliche Energie und Aufwand in die Entwicklung einzigartiger Produkte investiert, um diesen Markt zu bedienen.

Air Products and Chemicals, Inc. (APD)

Air Products and Chemicals Inc (APD ) wurde 1940 in Detroit, Michigan, von einem lokalen Unternehmer namens Leonard Parker Pool gegründet. Zu dieser Zeit konzentrierte sich das Unternehmen auf die Herstellung kleiner Generatoren für den Einsatz im Zweiten Weltkrieg. Nach dem Krieg verpflichtete sich das Unternehmen, sein Angebot und seine Produkte zu erweitern.

In den letzten 80 Jahren hat sich Air Products and Chemicals Inc. zu einem weltweit anerkannten Gaslieferanten entwickelt. Das Unternehmen verfügt über eine lebendige Geschichte in den USA und internationalen Märkten. Der Fokus auf Service und groß angelegte Unternehmenskunden hat dem Unternehmen geholfen, enorme Renditen zu erzielen und die Aktivitäten auszubauen.

Air Products and Chemicals Inc. erhielt im Laufe seiner Entwicklung zahlreiche Auszeichnungen als eine der beliebtesten Optionen für Hersteller, die Methangas benötigen. Im Jahr 2008 wurde es im Dow Jones Sustainability North America Index als Spitzenaktie gelistet.

Heute verzeichnet APD starke Jahres‑zu‑Datum‑Zuwächse dank einer Kombination von Faktoren, darunter Fortschritte in den Prozessen, intelligentes Geschäftsmanagement und steigende Methannutzung. Wenn APD diese Technologie in sein Geschäftsmodell integrieren könnte, könnte es die Herstellungskosten erheblich senken. Derzeit hat APD eine Marktkapitalisierung von 73,961 Mrd. $ und zeigt positive Jahreszuwächse.

Delta CleanTech Inc. (OTC)

Das kanadische Unternehmen Delta CleanTech Inc., das sich auf die Reduzierung chemischer Umweltauswirkungen konzentriert, trat in den Markt ein, um die bestehende Kohlenstoffabscheidungstechnologie zu verbessern. Das Unternehmen erlangte schnell Bekanntheit dank seiner einzigartigen Merkmale und Dienstleistungen. Unternehmen können das Fachwissen von Delta CleanTech nutzen, um ihre CO2‑ und anderen schädlichen Emissionen zu reduzieren.

Das Unternehmen bietet heute mehrere wirkungsvolle Produkte an. Zum Beispiel ermöglicht der Delta Reclaimer Unternehmen, Lösungsmittel zu reinigen. Darüber hinaus bietet das Unternehmen derzeit ein Produkt namens MethanatorRX an, das Methan sicher in harmlose Produkte zerlegt. Das Unternehmen bietet zudem den Service CarbonRX, der Unternehmen ermöglicht, ihre CO2‑Gutschriften optimal zu nutzen.

Weitere Kohlenstoffabscheidungssysteme, die es zu kennen lohnt

Glücklicherweise sind die Ohio State‑Forscher hinter der Studie zu zyklischen Emissionen nicht allein in ihrem Bestreben, die Umwelt durch CO2‑Reduktion zu schützen. Hier sind einige weitere interessante Ansätze, die das Potenzial haben, die CO2‑Emissionen künftig deutlich zu senken.

Elektrochemischer Reaktor

Ein Team von Ingenieuren unter der Leitung der RICE University stellte das weltweit erste Raumtemperatur‑Direktluftabscheidungsgerät vor. Dieser Reaktor kann Kohlenstoff aus der Luft direkt abscheiden, ohne Nebenprodukte zu hinterlassen. Ähnlich wie das OSU‑Team verzichtet ihr elektrochemischer Prozess auf aminenbasierte Sorptionsmittel wie Natrium‑ und Kaliumhydroxid.

Interessanterweise wurde als Nebenprodukt dieses Prozesses Wasserstoff identifiziert, ein weiteres sehr nützliches Chemikalie, das dieselben Prozesse antreiben kann. Darüber hinaus verbessert die Eliminierung von Wärme und zusätzlichen Chemikalien die Nachhaltigkeit dieses Ansatzes und macht ihn universell anwendbar.

Zukunft

Die Zukunft der Kohlenstoffabscheidungstechnologie ist vielversprechend. Diese Systeme stehen im Fokus des Kampfes gegen die Verschmutzung. Der einzigartige Ansatz des Teams und die Fähigkeit, Methan aus CO2 zu erzeugen, ist auf vielen Ebenen revolutionär. Einerseits hilft es Wissenschaftlern, die Vor- und Nachteile geschlossener Kreislaufsysteme besser zu verstehen und zu erkennen, wie diese Bereiche verbessert werden können, um die Leistung zu steigern.

Fazit zu zyklischen Emissionen

Man muss dem OSU‑Team hinter dieser Forschung Anerkennung zollen. Wissenschaftler träumen seit langem davon, den Kohlenstoffkreislauf so zu schließen, dass er für alle vorteilhaft sein könnte. Jetzt kann Ihre Verschmutzung wieder in Energie umgewandelt werden, und der Emissionskreislauf beginnt. Daher können Sie erwarten, dass das Augenmerk verstärkt auf die CO2‑Abscheidung gelegt wird, zusammen mit thermischen Reduktionspolitiken und Kampagnen.

Erfahren Sie heute mehr über andere spannende Umweltprojekte heute.

Studienreferenz:

^{1. Neves-Garcia, T., Hasan, M., Zhu, Q., Li, J., Jiang, Z., Liang, Y., Wang, H., Rossi, L. M., Warburton, R. E., & Baker, L. R. (2024). Integrated carbon dioxide capture by amines and conversion to methane on single-atom nickel catalysts. Journal of the American Chemical Society, 146(46), 31633–31646. https://doi.org/10.1021/jacs.4c09744}