CO2-Umwandlung und Recyclingtechnologien Sonnenlicht
Apr, 2020



Die Erkenntnis, dass CO, der Hauptverursacher des Klimawandels, in industrielle Rohstoffe umgewandelt werden kann, breitet sich mehr und mehr aus. Aufgrund des hohen externen Energiebedarfs für die Umwandlung von CO  richtet sich die Aufmerksamkeit auf umweltfreundliche Technologien, die die reichlich vorhandene Energiequelle des natürlichen Sonnenlichts nutzen können.  



1. CO-Reduktion ist unerlässlich. Deswegen ist eine Rückgewinnung von Ressourcen die logische Antwort.


Die Welt wird von Überschwemmungen, Dürren und schweren Hitzewellen aufgrund der globalen Erwärmung heimgesucht - ein Symptom der zunehmenden CO₂-Konzentration in der Atmosphäre. Daher ist die CO₂-Reduzierung nicht länger eine Option, sondern das Gebot der Stunde. Da die Technologie zur Abscheidung, Sammlung und Speicherung von CO₂ (CCS) in dem Bemühen um CO₂-Reduzierung inzwischen weit verbreitet ist, hat sich der Schwerpunkt in jüngster Zeit auf die fortgeschrittenere CCU (Carbon Capture and Utilization) verlagert. CO₂ ist so vom Problemstoff zur Cash Cow geworden. Zusätzlich zu den wirtschaftlichen Vorteilen, die sich aus der CO₂-Reduzierung ergeben, wurde diese Technologie - die CO₂ in eine breite Palette chemischer Materialien einschließlich Basischemikalien wie Wasserstoff, Methanol und DME umwandelt – in dem Bewußtsein entwickelt, dass CO₂ kein Umweltschadstoff, sondern eine Quelle für wichtige industrielle Rohstoffe ist. Da für die CO₂-Umwandlung große Mengen externer Energie benötigt werden, hat sich die industrielle CO₂-Recyclingtechnologie unter Verwendung von Sonnenlicht, der am häufigsten vorkommenden Energiequelle der Erde, zu einer Schlüsselansätze der Zukunft entwickelt.  



2. Umwandlung in chemischen Brennstoff durch photoelektrochemische künstliche Photosynthese Grundsätzlich erfolgt die CO-Umwandlung entweder durch eine chemische Umwandlung durch eine chemische Reaktion oder durch eine biologische Umwandlung mit Mikroorganismen. 


Die chemische Umwandlung kann unterteilt werden in thermisch-katalytisch-chemische Umwandlung, photochemische Umwandlung und elektrochemische Umwandlung.

Thermodynamisch gesehen ist die Wasserspaltung durch CO₂-Reduktion eine energetisch aufwärtsgerichtete Reaktion, da sie einen großen Anstieg der freien Gibbs'schen Energie (△G°=238kJ/mol) mit sich bringt und daher viel externe Energie benötigt. Solarenergie ist eine umweltfreundliche Energiequelle, deren letztendliches Potenzial mit dem technologischen Fortschritt korreliert. Die künstliche Photosynthese ist eine Simulation des natürlichen Photosynthesemechanismus, der in den Blättern von Pflanzen auftritt. Sie ist definiert als die Technologie, bei der Verbindungen aus CO₂, Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff aus Wasser synthetisiert werden, wobei hierfür Sonnenlicht als Energiequelle genutzt wird. Für repräsentative Studien wurde 2010 das Joint Center for Artificial Photosynthesis mit Sitz am Lawrence Berkeley National Laboratory und am California Institute of Technology in den USA gegründet, um eine Technologie zur Herstellung künstlicher Sonnenlichtbrennstoffe zu entwickeln (Technologie zur Herstellung chemischer Materialien und synthetischer Brennstoffe unter ausschließlicher Verwendung von CO₂, Sonnenlicht und Wasser). Es ist das größte Forschungsprogramm in den USA. Darüber hinaus entwickelten 2011 bzw. 2012 die Toyota Central R&D Labs und Panasonic in Japan eine Technologie zur Umwandlung von CO₂ in Ameisensäure unter Verwendung künstlicher photosynthetischer Systeme mit Halbleiternitrid. 

Um die natürliche Photosynthese künstlich und effektiver als in der Natur zu realisieren, wurden verschiedene künstliche photosynthetische Systeme erdacht. Unter ihnen steht seit kurzem die photoelektrochemische Technologie zur künstlichen Photosynthese im Rampenlicht, die als die effizienteste angesehen wird, sowie ein technologischer Ansatz, das Nebenprodukte leicht abtrennen kann. Es muss eine Wasserspaltungsreaktion stattfinden, um Solar-PV-Verbindungen durch künstliche Photosynthese herzustellen, was den größten Energieaufwand erfordert. Da bei der photoelektrochemischen künstlichen Photosynthese große Energieverluste durch Überspannung verursacht werden, besteht der Kern der Technologie aus Katalysatoren, die die Wasserspaltung erleichtern und die Umwandlungseffizienz erhöhen. 

Viele Studien konzentrieren sich auf eine selektive und hocheffiziente Katalysatortechnologie zur Wasserspaltung und CO₂-Reduktion bei der photoelektrochemischen künstlichen Photosynthese. Ähnlich wie im Fall der bereits erwähnten künstlichen Photosynthese befinden sich Studien zur Elektrosynthese in der Konzeptionsphase. Dabei können verwertbare biochemische Materialien durch CO₂-Reduktion hergestellt werden, aber dieser Technologieansatz erfordert noch weitere umfangreichere und tiefergehende Forschungsarbeiten. 

 





▲ Mimetisches Diagramm der 2. Phase der photoelektrochemischen künstlichen Photosynthese 



3. Photoelektrochemische Katalysatortechnologie für die künstliche Photosynthese 


 3-1. Wasserspaltungskatalysator-Technologie 

Die Prämisse der künstlichen Photosynthese besteht in der Umwandlung in chemische Energie durch Absorption von Sonnenenergie, weshalb Materialien zur Lichtenergieabsorption benötigt werden. Wichtige Materialien für die Absorption von Lichtenergie, darunter Halbleiter wie Silizium und Farbstoffe verschiedener Farben, werden auch für die künstliche Photosynthese verwendet. CO₂-Reduktions- oder Wasserspaltungsreaktionen (Protonenreduktions- und Wasseroxidationsreaktion), die Hauptreaktionen der künstlichen Photosynthese, sind allesamt komplexe katalytische Reaktionen, an denen Elektronen beteiligt sind. Je nach Art der Reduktionsprodukte sind die zur CO₂-Reduktion verwendeten Elektrodenkatalysatoren bekannt als (i) selektiv In, Sn, Hg und Pb zur Erzeugung von Ameisensäure, (ii) selektiv Zn, Au, Ag zur Erzeugung von CO, (iii) Cu zur Erzeugung von Kohlenwasserstoff, Aldehyd und Alkohol. Es ist bekannt, dass die meisten Metalle der Familien Al, Ga und VIII als Katalysatoren für CO₂-Reduktionsreaktionen in Form von wässriger Lösung aktiv sind. 

Die bisher entwickelten Elektrodenkatalysatoren weisen jedoch bei CO₂-Reduktionsreaktionen mit geringer Selektivität und Stromdichte hohe Überspannungen auf. Es sollten hocheffiziente Katalysatoren entwickelt werden, die das Überpotential reduzieren können, wie es für die CO₂-Reduktion erforderlich ist, und die Energieflüsse für Zwischenreaktionsprodukte steuern können. Insbesondere die aus Oxiden abgeleitete Nanometallelektrodensynthesemethode zeigt eine hohe Aktivität. Die CO₂-Umwandlungsrate im Vergleich zur Strahlungsintensität beträgt nur 0,02 % auf der Basis der Methanolbildung und 0,05 % auf der Basis der Formaldehydbildung, was den Einsatz für industrielle Zwecke erschwert. 


 3-2. Katalysatortechnologie zur CO₂-Reduktion 

Weil elektrochemisch reduziertes CO₂ mit verschiedenen Arten von neuen erneuerbaren Energien kombiniert und als Energiequelle genutzt werden kann, hat sie in letzter Zeit großes Interesse geweckt. Die CO₂-Reduktion weist je nach Reduktionsniveau verschiedene miteinander konkurrierende Reaktionen auf. Ähnliche Reduktionspotentiale zwischen diesen konkurrierenden Reaktionen machen es schwierig, die Endprodukte selektiv zu erzeugen. Insbesondere weil Reduktionsreaktionen in Form von wässriger Lösung leicht eine Reaktion auslösen können, bei der Wasserstoff aus reduziertem Wasser erzeugt wird, ist es sehr wichtig, Katalysatormaterialien zu entwickeln, die die Wasserstofferzeugungsreaktion mit hoher Selektivität für einzelne Produkte unterdrücken können. Es wurden auch TiO-Photokatalysatoren, Zeolith oder Katalysatoren in Kombination mit porösem Siliciumdioxid verwendet. Hierbei zeigte sich auch, dass dann Methan oder Methanol als Hauptprodukte der CO-Reduktion mit einer höheren CO-Reduktionseffizienz erzeugt werden, als wenn nur TiO verwendet wird. Kürzlich wurde berichtet, dass die Oberfläche von TiO, die mit Nafion beschichtet wird, CO zu Methan oder Ethan reduzieren kann, ohne dass Elektronenspender unter ultravioletter Strahlung hinzugefügt werden müssen.
 

 3-3. Entwicklung hocheffizienter Photokatalysatoren 

Entwicklung hocheffizienter Photokatalysatoren, die im sichtbaren Strahlenspektrum aktiv sind 
Viele Photokatalysatoren, wie TiO₂, BiVO₄, BiWO6 und Zn₂GeO₄, wurden für die CO₂-Reduktion mit Photokatalysatoren untersucht. Es wurde jedoch sowohl festgestellt, dass eine sehr starke C=O-Kombination die Reduktionseffizienz senkt, als auch, dass die meisten dieser Katalysatoren nur im UV-Bereich aktiv sind. Der Nickelkatalysator (Ni/SiO₂․Al₂O₃), der von dem neu entwickelten Siliciumdioxid-Aluminiumoxid getragen wird, hat eine hohe photokatalytische Reaktionsaktivität, die CH4 erzeugt, indem CO₂ zu H₂ reduziert wird, und kann zudem wiederverwendet werden. Er hat eine Selektivität von 95% für CH₄ bei einer Umwandlungsrate von mehr als 90% und zeigt photokatalytische Aktivität bei visuellen Strahlen. Metallorganische Materialien (MOF) werden wahrscheinlich für verschiedene Zwecke wie Katalyse, Trennung, Gasspeicherung und CO₂-Abscheidung verwendet, da sie leicht poröse Strukturen bilden können und vielfältig einsetzbar sind. In neueren Studien haben sich poröse MOF-Materialien als neuer Photokatalysator für die Zersetzung organischer Schadstoffe unter UV- und im sichtbaren Strahlenspektrum erwiesen, wodurch Versuche zur Herstellung von HCOOH und CHOH durch CO₂-Reduktion angeregt wurden. Die F&E-Arbeit zur Anwendung von MOF in der CO₂-Reduktionskatalyse sind also vielversprechend. 



4. Rege Forschungstätigkeit zur Umwandlung von CO₂ in flüssigen Brennstoff unter Verwendung von Sonnenlicht


In jüngster Zeit werden im In- und Ausland aktiv Studien über Technologien zur Umwandlung von CO₂ in flüssigen Brennstoff, wie z.B. Methanol, durchgeführt. Die Forschung über den Wasseroxidationsprozess wird als "Heiliger Gral" bezeichnet und wer hier den richtigen Ansatz findet, wird wahrscheinlich ein zukünftiger Nobelpreisträger werden. Gegenwärtig sind die größten Probleme beim CO₂-Recycling und bei der Industrialisierung unter Verwendung von Sonnenlicht die übermäßigen Kosten für die umgewandelte Energie, die Verbesserung der Leistung von Photokatalysatoren und der Energieverlust durch Elektrodenüberspannung. Es müssen hier noch wesentlich anspruchsvollere Studien zu verschiedenen Technologieansätzen, einschließlich der Katalysatorwissenschaft, Photochemie und im Bereich der Biowissenschaften durchgeführt werden.  








In allen Lebensbereichen wird versucht, die CO-Emissionen zu reduzieren, da diese als Hauptverursacher der globalen Erwärmung gelten. Oben wurde die Studie von Hyeongwon Kim vorgestellt, in der die Technologie zur Umwandlung und Wiederverwertung von CO unter Nutzung von Solarenergie beschrieben wird. Die Studie ist eine der wichtigsten Veröffentlichungen auf diesem Gebiet. Sonnenlicht als umweltfreundliche Energiequelle steht dabei im Mittelpunkt und unterstreicht die Bedeutung von Q CELLS als globales Unternehmen für Photovoltaik-Gesamtlösungen. Die jährliche Produktion von Solarmodulen von Q CELLS entspricht den Auswirkungen der Reduzierung von 6 Millionen Tonnen CO-Emissionen, der Pflanzung von 2 Milliarden Bäumen, der Einsparung von 3 Millionen Tonnen Wasser oder der Verringerung der Fahrten von 2 Millionen Fahrzeugen. 

Darüber hinaus hat Q CELLS an den umweltfreundlichen Kampagnen "Solar Forest Project" und "Happy Sunshine" der Hanwha Group teilgenommen und unterstützt umweltfreundliche Aktivitäten mit Modulspenden. Q CELLS wird auch in Zukunft seine Bemühungen fortsetzen, das positive Bewusstsein für Solarenergie im Einklang mit dem internationalen Trend der CO-Reduktion zu stärken.  

icon
share