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Geheimnisvolle Katalysatoren: Warum kann Kupfer eine Vielzahl von Kohlenstoffverbindungen bilden, Zink jedoch nicht?
Im Kontext der heutigen Diskussion über nachhaltige Energieentwicklung hat die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid (CO2RR) zunehmende Aufmerksamkeit erhalten. Diese Technologie wandelt nicht nur Kohlendioxid in eine Vielzahl von Chemikalien um, sondern trägt auch zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen bei. Warum kann Kupfer jedoch unter vielen Katalysatoren effektiv verschiedene Kohlenstoffverbindungen erzeugen, während Zink dazu nicht in der Lage ist?
Jeder technologische Fortschritt ist untrennbar mit der Auswahl und Anwendung von Katalysatoren verbunden. Unterschiede bei den Katalysatoren wirken sich direkt auf die Effizienz der Reaktion und die Art der erhaltenen Produkte aus.
CO2RR nutzt elektrische Energie, um Kohlendioxid in stärker reduzierende Chemikalien umzuwandeln. Zu seinen Produkten gehören Ameisensäure (HCOO-), Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4), Ethylen (C2H4) und Ethanol (C2H5OH). Zu den technischen Herausforderungen dieses Prozesses gehören hohe Stromkosten und die Tatsache, dass Kohlendioxid oft Verunreinigungen enthält, die vor der Reduktion gereinigt werden müssen. Die ersten CO2-Reduktionsexperimente im 19. Jahrhundert verwendeten Zink als Kathode, um Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid zu reduzieren, und die darauffolgende Forschung nahm in den 1980er Jahren, insbesondere nach dem Ölembargo der 1970er Jahre, dramatisch zu.
Derzeit entwickeln viele Unternehmen Technologien zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid, darunter Siemens, Dioxide Materials, Twelve und GIGKarasek. Obwohl es noch keinen Raumtemperatur-Elektrolyseur gibt, der kommerzialisiert werden kann, wurden Hochtemperatur-Festoxid-Elektrolyseure (SOECs) von vielen Unternehmen auf den Markt gebracht und haben bei der CO2-Reduktion von Kohlenmonoxid Erfolge erzielt.
Die kommerzielle Machbarkeit von Hochtemperatur-Festoxidelektrolyseuren hat die Produktion von 6–8 kWh pro Kubikmeter CO mit einer Reinheit von 99,999 % gezeigt.
Beim elektrochemischen Reduktionsprozess von CO2 ist die Rolle des Katalysators entscheidend. Obwohl viele Metallkatalysatoren keine idealen Ergebnisse bei der Katalyse der Kohlendioxidreduktion zeigen, bevorzugen die meisten die Förderung der Wasserstofferzeugung. Katalysatoren können je nach Produkt in verschiedene Kategorien eingeteilt werden. Dazu gehören selektive Katalysatoren wie Zinn oder Wismut, die die Produktion von Ameisensäure fördern, Silber oder Gold, die sich auf die Produktion von Kohlenmonoxid konzentrieren, und Kupferkatalysatoren, die eine Vielzahl von Katalysatoren produzieren können Reduktionsprodukte wie Methan, Ethylen und Ethanol.
Kupferkatalysatoren sind einzigartig in ihrer Fähigkeit, aus Kohlendioxid Verbindungen mit mehreren Kohlenstoffatomen herzustellen, darunter Ethylen, Ethanol und andere Produkte höherer Ordnung.
Obwohl der Zinkkatalysator in frühen Experimenten gute Leistungen erbrachte, wurde seine Anwendung mit dem Fortschritt der Wissenschaft und der Entwicklung der Technologie allmählich eingeschränkt. Der Hauptgrund dafür ist, dass Zink während des Reduktionsprozesses zu Nebenreaktionen neigt, was zu einer geringen Produktselektivität führt. Gleichzeitig verfügt Zink nicht über die Fähigkeit, Metallcarbonatkomplexe ähnlich wie Kupfer zu bilden, was sein Potenzial zur effektiven Katalyse von Multikohlenstoffverbindungen erheblich schwächt.
Um dieses Phänomen besser zu verstehen, können wir feststellen, dass im CO2RR-Prozess die Selektivität und Effizienz des Katalysators oft von vielen Faktoren beeinflusst werden, einschließlich der Leistung des Katalysators, der Zusammensetzung des Elektrolyten und den Bedingungen von Der Reaktionsprozess. Forscher arbeiten daran, diese Faktoren zu optimieren, die Gesamteffizienz der CO2-Reduktion zu verbessern und neue Katalysatoren zu finden, die Zink ersetzen und so die Reichhaltigkeit des Produkts erhöhen.
In diesem sich ständig weiterentwickelnden Bereich der wissenschaftlichen Forschung werden Katalysatorinnovationen und technologische Durchbrüche großen Einfluss auf die nachhaltige Produktion verschiedener Chemikalien haben und so die doppelte Verwirklichung von Umweltschutz und wirtschaftlichen Vorteilen fördern.
Es ist unbestreitbar, dass das katalytische Potenzial von Kupfer uns eine glänzende Zukunft bei der Erforschung der CO2-Umwandlung beschert. Können wir jedoch durch eine eingehende Untersuchung der Katalysatorselektivität das Geheimnis weiterer Katalysatoren lüften und die Re- Entstehung von Metallen wie Zink, die ursprünglich nicht teilnehmen konnten?
