Eine Strategie zum Feinen

Feature vom 3. November 2022

von Ingrid Fadelli, Phys.org

In den letzten Jahren haben viele Ingenieure und Materialwissenschaftler versucht, nachhaltige Energielösungen zu entwickeln, die zur Eindämmung des Klimawandels auf der Erde beitragen könnten. Dazu gehören Technologien zur Kohlenstoffabscheidung, die speziell darauf ausgelegt sind, Kohlendioxid (CO2) an Standorten abzufangen oder zu absorbieren, an denen es in großem Umfang produziert wird, beispielsweise in Kraftwerken oder Industrieanlagen, die auf Biomasse oder die Verbrennung fossiler Brennstoffe angewiesen sind.

Während einige Lösungen zur Kohlenstoffabscheidung vielversprechende Ergebnisse erzielten, verbrauchen solche, die auf herkömmlichen nasschemischen Reinigungsmethoden unter Verwendung von sp3-Aminen basieren, oft zu viel Energie und sind anfällig für Korrosion und Sorptionsmittelabbau. Dies schränkt ihre flächendeckende Umsetzung erheblich ein und unterstreicht die Notwendigkeit alternativer Strategien zur CO2-Abtrennung.

Forscher der Johns Hopkins University, der University of Texas in Austin und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben kürzlich eine Reihe redoxabstimmbarer Lewis-Basen eingeführt (d. h. Moleküle mit einem freien Elektronenpaar, das an eine koordinative kovalente Bindung gespendet werden kann). ) mit sp2-Stickstoffzentren, die CO2 reversibel einfangen und freisetzen können. In ihrem in Nature Energy veröffentlichten Artikel skizzieren sie auch Strategien zur Feinabstimmung der Eigenschaften dieser Lewis-Basen.

„Wir demonstrieren eine Bibliothek redoxabstimmbarer Lewis-Basen mit sp2-Stickstoffzentren, die über einen elektrochemischen Zyklus Kohlendioxid reversibel einfangen und freisetzen können“, schrieben Xing Li, Xunhua Zhao, Yuanyue Liu, T. Alan Hatton und Yayuan Liu in ihrer Arbeit . „Der Mechanismus des Kohlenstoffabscheidungsprozesses wird durch einen kombinierten experimentellen und rechnerischen Ansatz aufgeklärt.“

Die jüngste Arbeit der Forscher basiert auf der Idee, dass Lewis-Basen mit redoxaktiven sp2-Stickstoffzentren aufgrund ihrer CO2-Affinität mithilfe elektrochemischer Potentiale moduliert werden könnten, was die Entwicklung alternativer, effektiverer Lösungen zur Kohlenstoffabscheidung ermöglicht. Um diese Hypothese zu überprüfen, stellten die Forscher eine Bibliothek organischer Basen zusammen, die sp2-Stickstoffzentren enthalten, darunter Pyradin-, Diazin-, Thiadizol- und Azo-Einheiten.

„In der oxidierten Form zeigt keine dieser Verbindungen starke Wechselwirkungen mit CO2“, schreiben die Forscher in ihrer Arbeit. „Ihr Elektroreduktions- und anschließendes Oxidationsverhalten kann jedoch durch die Anwesenheit von CO2 im Elektrolyten drastisch moduliert werden.“

Li und seine Kollegen haben den Mechanismus, der es den Lewis-Base-Sorbentien ermöglicht, Kohlenstoff einzufangen, sowohl in Computersimulationen als auch in Experimenten klar dargelegt. Anschließend zeigten sie, dass die Eigenschaften dieser Sorbentien mithilfe von molekularen Design- und Elektrolyt-Engineering-Methoden fein abgestimmt (dh auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten) werden können. Durch Feinabstimmung der Eigenschaften der von ihnen geschaffenen Lewis-Basen konnten die Forscher anschließend eine besonders vielversprechende Lewis-Base auf Basis des bifunktionellen Azopyridins identifizieren.

„Wir identifizieren eine bifunktionelle Azopyridinbase, die vielversprechend für die elektrochemisch vermittelte Kohlenstoffabscheidung ist und eine Kapazitätsauslastungseffizienz von >85 % bei Zyklen in einem Durchflusssystem mit 15 % Kohlendioxid und 5 % Sauerstoff aufweist“, schreiben Li und seine Kollegen in ihrer Arbeit. „Diese Arbeit erweitert den strukturellen Anwendungsbereich redoxaktiver Kohlendioxid-Sorbentien und liefert Designrichtlinien für Moleküle mit einstellbarer Basizität unter elektrochemischen Bedingungen.“

In Zukunft könnte die von Li und seinen Kollegen identifizierte bifunktionelle Azopyridinbase zur Entwicklung energieeffizienterer und effektiverer Technologien zur Kohlenstoffabscheidung genutzt werden. Darüber hinaus könnte ihre Arbeit den Weg für die Entwicklung anderer Lösungen zur Kohlenstoffabscheidung auf Basis von Lewis-Base-Sorptionsmitteln ebnen.

Mehr Informationen: Xing Li et al., Redox-abstimmbare Lewis-Basen für die elektrochemische Kohlendioxidabscheidung, Nature Energy (2022). DOI: 10.1038/s41560-022-01137-z

Zeitschrifteninformationen:Naturenergie

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