Die Forscher haben entdeckt, dass Mangan, ein reichlich vorhandenes und kostengünstiges Metall, Kohlendioxid effektiv in Formiat umwandeln kann, eine potenzielle Quelle für Wasserstoff für Brennstoffzellen. Der Schlüssel war ein intelligentes Redesign, das es dem Katalysator ermöglicht, viel länger zu arbeiten als andere ähnliche kostengünstige Materialien. Überraschenderweise übertrifft der verbesserte Mangan-Katalysator sogar viele Katalysatoren auf Edelmetallbasis. Diese Entdeckung könnte es ermöglichen, Treibhausgase in Zutaten für saubere Energie zu verwandeln.
Neue Forschung
Wissenschaftler haben eine kostengünstige Methode gefunden, um Kohlendioxid in einen wertvollen Vorläufer für saubere Energie mithilfe von Mangan, einem häufigen Element, umzuwandeln.
Eine neue Studie von Wissenschaftlern der Universitäten Yale und Missouri zeigt, dass auf Mangan basierende Katalysatoren Kohlendioxid effizient in Formiat umwandeln können. Mangan ist reichlich vorhanden und billig, was es zu einem idealen Ersatz für teure Metalle macht. Formiat gilt als vielversprechendes Material zur Speicherung von Wasserstoff und könnte die nächste Generation von Brennstoffzellen antreiben. Die Forschung wurde in der Zeitschrift Chem veröffentlicht.
Warum Wasserstoff-Brennstoffzellen wichtig sind
Wasserstoff-Brennstoffzellen funktionieren ähnlich wie Batterien, indem sie die chemische Energie von Wasserstoff in Elektrizität umwandeln. Obwohl diese Technologie vielversprechend für saubere Energie ist, wird ihre weit verbreitete Einführung durch die Schwierigkeit und die hohen Kosten der effizienten Produktion und Speicherung von Wasserstoff begrenzt.
„Die Nutzung von CO₂ hat jetzt Priorität, da wir nach erneuerbaren Rohstoffen suchen, um die aus fossilen Brennstoffen abgeleiteten zu ersetzen“, sagte Hazari, John Randolph Hoffman Professor für Chemie und Direktor der Abteilung für Chemie an der Fakultät für Kunst und Wissenschaften der Yale University (FAS).
Formiat als Wasserstoffträger
Ameisensäure, die protonierte Form von Formiat, wird derzeit im industriellen Maßstab produziert. Sie wird häufig als Konservierungsmittel, antibakterielles Mittel und Gerbmittel für Leder verwendet. Viele Wissenschaftler glauben, dass Ameisensäure, wenn sie nachhaltig und effizient produziert werden könnte, auch als praktische Wasserstoffquelle für Brennstoffzellen dienen könnte.
Derzeit hängt der größte Teil der industriellen Produktion von Formiat von fossilen Brennstoffen ab, was seine Umweltvorteile auf lange Sicht einschränkt. Die Forscher behaupten, dass eine sauberere Alternative darin bestehen würde, Formiat direkt aus dem Kohlendioxid der Luft zu produzieren. Dieser Ansatz würde die Emissionen von Treibhausgasen reduzieren und nützliche Chemikalien erzeugen.
Die Herausforderung der Katalysatoren
Die Umwandlung von Kohlendioxid in Formiat erfordert einen Katalysator, was ein erhebliches Hindernis darstellt. Viele der bisher entwickelten Katalysatoren sind auf Edelmetalle angewiesen, die teuer, selten und oft toxisch sind. Häufigere Metalle neigen dazu, sich zu zersetzen, was ihre Fähigkeit zur Katalyse der chemischen Reaktion verringert.
Wie Mangan die Erwartungen übertraf
Das Forschungsteam entwickelte eine neue Strategie, um dieses Problem zu überwinden. Durch das Redesign der Struktur des Katalysators gelang es ihnen, die Lebensdauer der auf Mangan basierenden Katalysatoren erheblich zu verlängern. Infolgedessen übertrafen diese Katalysatoren die meisten Katalysatoren aus Edelmetallen.
Die Forscher sagen, dass die entscheidende Verbesserung die Hinzufügung eines zusätzlichen donor-Atoms im Design des Liganden war (Liganden sind Atome oder Moleküle, die sich an das Metallatom binden und seine Reaktivität beeinflussen). Diese Änderung hilft, den Katalysator zu stabilisieren und seine Wirksamkeit zu erhalten.
