Wasserleitende Membran verbessert Umwandlung von Kohlendioxid in Kraftstoff

Methanol ist eine vielseitige und effiziente Chemikalie, die als Kraftstoff und bei der Herstellung unzähliger Produkte Verwendung findet. Kohlendioxid (CO2) hingegen ist ein Treibhausgas, das als unerwünschtes Nebenprodukt vieler industrieller Prozesse anfällt. Die Umwandlung von CO2 in Methanol ist eine Möglichkeit, CO2 sinnvoll zu nutzen.

In einer in Science veröffentlichten Forschungsarbeit haben Chemieingenieure des Rensselaer Polytechnic Institute gezeigt, wie dieser Umwandlungsprozess von CO2 in Methanol durch den Einsatz einer Trennmembran effizienter gestaltet werden kann. Dieser Durchbruch, so die Forscher, könnte eine Reihe von Industrieprozessen verbessern, die von chemischen Reaktionen abhängen, bei denen Wasser ein Nebenprodukt ist.

Türsteher für Kohlendioxid-Moleküle

Die chemische Reaktion, die für die Umwandlung von CO2 in Methanol verantwortlich ist, produziert auch Wasser. Dieses schränkt allerdings die weitere Reaktion stark ein. Das Rensselaer-Team machte sich daran, einen Weg zu finden, um das Wasser während der Reaktion herauszufiltern, ohne andere wichtige Gasmoleküle zu verlieren.

Die Forscher stellten eine Membran aus Natriumionen und Zeolithkristallen zusammen. Ihr Ziel war es, Wasser vorsichtig und schnell durch kleine, wasserleitende Nanokanäle abzuleiten, ohne Gasmoleküle zu verlieren.

„Das Natrium kann die Gaspermeation tatsächlich regulieren oder abstimmen“, sagte Miao Yu, ein Stiftungsprofessor für chemische und biologische Verfahrenstechnik und Mitglied des Center for Biotechnology and Interdisciplinary Studies (CBIS) in Rensselaer, der diese Forschung leitete. „Es ist, als ob die Natriumionen am Tor stehen und nur Wasser durchlassen. Wenn das Inertgas hereinkommt, blockieren die Ionen das Gas.“

In der Vergangenheit, so Yu, war diese Art von Membranen anfällig für Defekte, und ließ andere Gasmoleküle austreten. Sein Team entwickelte eine neue Strategie zur Optimierung des Zusammenbaus der Kristalle, wodurch diese Defekte beseitigt wurden.

Neuartige Membran beschleunigt chemische Reaktion

Als das Team das Wasser effektiv aus dem Prozess entfernte, so Yu, stellten sie fest, dass die chemische Reaktion sehr schnell ablaufen konnte. „Wenn wir das Wasser entfernen können, verschiebt sich das Gleichgewicht. Das bedeutet, dass die Reaktion mehr Kohlendioxid umwandelt und mehr Methanol produziert“, sagte Huazheng Li, ein Postdoc-Forscher in Rensselaer und Erstautor der Arbeit.

„Diese Forschung ist ein Paradebeispiel für die bedeutenden Beiträge, die Professor Yu und sein Team leisten, um die interdisziplinären Herausforderungen im Bereich Wasser, Energie und Umwelt anzugehen“, sagte Deepak Vashishth, Direktor des CBIS. „Die Entwicklung und der Einsatz solch maßgeschneiderter Membranen durch Professor Yus Gruppe versprechen eine hohe Effektivität und Praxistauglichkeit.

Das Team arbeitet nun an der Entwicklung eines skalierbaren Prozesses. Außerdem soll ein Startup-Unternehmen die kommerzielle Nutzung dieser Membran zur Herstellung von hochreinem Methanol ermöglichen. Darüber hinaus könnte diese Membran auch zur Verbesserung einer Reihe anderer Reaktionen verwendet werden.

„In der Industrie gibt es so viele Reaktionen, die durch Wasser begrenzt sind“, sagte Yu. „Dies ist die einzige Membran, die unter den harten Reaktionsbedingungen hocheffizient arbeiten kann.“