99 % des CO2 könnten mit bahnbrechender Technologie aus der Luft entfernt werden

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Ingenieure der University of Delaware haben einen Weg aufgezeigt, wie 99 % des Kohlendioxids mithilfe eines neuen wasserstoffbetriebenen elektrochemischen Systems effektiv aus der Luft abgeschieden werden können.

Dies ist ein bedeutender Fortschritt für die Kohlendioxidabscheidung und könnte umweltfreundlichere Brennstoffzellen näher auf den Markt bringen.

Das Forschungsteam unter der Leitung von UD-Professor Yushan Yan berichtete am Donnerstag, dem 3. Februar, in Nature Energy über seine Methode.

Revolutionäre Technologie für Brennstoffzellen-Effizienz

Brennstoffzellen funktionieren, indem sie die chemische Energie des Brennstoffs direkt in Elektrizität umwandeln. Sie können im Transportwesen für Dinge wie Hybrid- oder emissionsfreie Fahrzeuge verwendet werden.

Yan, Inhaber des Henry-Belin-du-Pont-Lehrstuhls für Chemie- und Biomolekulartechnik, arbeitet seit einiger Zeit an der Verbesserung von Hydroxid-Austauschmembran-Brennstoffzellen (HEM), einer kostengünstigen und umweltfreundlichen Alternative zu den heute verwendeten herkömmlichen Brennstoffzellen .

Doch HEM-Brennstoffzellen haben einen Schwachpunkt, der sie am Zirkulieren hindert: Sie reagieren extrem empfindlich auf Kohlendioxid in der Luft. Im Wesentlichen erschwert Kohlendioxid einer HEM-Brennstoffzelle das Atmen.

Dieser Defekt reduziert die Leistung und den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle schnell um bis zu 20 %, wodurch die Brennstoffzelle nicht besser als ein Benzinmotor wird. Yans Forschungsgruppe sucht seit mehr als 15 Jahren nach einer Lösung für dieses Kohlendioxid-Rätsel.

Vor einigen Jahren erkannten Forscher, dass dieser Nachteil tatsächlich eine Lösung sein könnte – für die Entfernung von Kohlendioxid.

„Als wir uns mit dem Mechanismus befassten, stellten wir fest, dass die Brennstoffzellen so gut wie jedes bisschen Kohlendioxid, das in sie eindrang, einfingen und es auf der anderen Seite wirklich gut abtrennen konnten“, sagte Brian Setzler, Assistenzprofessor für Chemie und Biomoleküle Engineering und Co-Autor eines Papers.

Obwohl dies nicht gut für die Brennstoffzelle ist, wusste das Team, dass es als Kohlendioxidabscheider verwendet werden könnte, wenn es diesen „Selbstreinigungsprozess“ nutzen könnte, der in ein separates Gerät vor der Brennstoffzelle eingebaut ist.

„Unser Ansatz erweist sich als sehr effektiv. Wir können 99 % des Kohlendioxids aus der Luft in einem einzigen Durchgang abscheiden, wenn wir das richtige Design und die richtige Einrichtung haben“, sagte Yan.

Wie haben sie es also gemacht?

Sie fanden einen Weg, die Energiequelle der elektrochemischen Technologie in die Trennmembran einzubetten. Der Ansatz war, das Gerät intern kurzzuschließen.

„Es ist riskant, aber wir konnten diese wasserstoffkurzgeschlossene Brennstoffzelle kontrollieren. Und durch die Verwendung dieser elektrisch kurzgeschlossenen Innenmembran konnten wir sperrige Komponenten wie Bipolarplatten, Stromkollektoren oder alle elektrischen Drähte loswerden, die typischerweise darin zu finden sind eine Brennstoffzelle“, sagte Lin Shi, Doktorand der Yan Group und Hauptautor der Veröffentlichung.

Nun verfügte das Forschungsteam über ein elektrochemisches Gerät, das wie eine normale Filtermembran zur Trennung von Gasen aussah, aber wie ein komplizierteres System der Elektrochemie winzige Mengen Kohlendioxid aus der Luft auffangen konnte.

Tatsächlich schuf die Einbettung der Drähte des Geräts in die Membran eine Abkürzung, die es den Kohlendioxidpartikeln erleichterte, sich von einer Seite zur anderen zu bewegen. Es ermöglichte dem Team auch, ein kompaktes Spiralmodul mit einer großen Oberfläche in einem kleinen Volumen zu bauen. Mit anderen Worten, sie haben jetzt ein kleineres Gehäuse, das größere Luftmengen auf einmal filtern kann, was sie für Brennstoffzellenanwendungen sowohl effizient als auch kostengünstig macht. Gleichzeitig bedeuten weniger Komponenten weniger Kosten und, was noch wichtiger ist, eine einfache Skalierung für den Markt.

Die Ergebnisse des Forschungsteams zeigten, dass eine elektrochemische Zelle mit einer Größe von 2 x 2 Zoll kontinuierlich etwa 99 % des Kohlendioxids aus der Luft entfernen kann, die mit einer Geschwindigkeit von etwa zwei Litern pro Minute strömt. Ein früher Prototyp eines Spiralgeräts in der Größe einer 12-Unzen-Getränkedose ist in der Lage, 10 Liter Luft pro Minute zu filtern und 98 % des Kohlendioxids zu entfernen, sagten die Forscher.

Für eine Automobilanwendung skaliert, hätte das Gerät etwa die Größe einer Gallone Milch, sagte Setzer, aber das Gerät könnte auch anderswo zum Entfernen von Kohlendioxid verwendet werden. Beispielsweise könnte die patentierte UD-Technologie leichtere und effizientere Kohlendioxidentfernungsgeräte in Raumfahrzeugen oder U-Booten ermöglichen, wo eine kontinuierliche Filtration unerlässlich ist.

„Wir haben einige Ideen für eine langfristige Roadmap, die uns wirklich helfen können, dorthin zu gelangen“, sagte Setzler.

Da das elektrochemische System laut Shi mit Wasserstoff betrieben wird, könnte diese elektrochemische Vorrichtung mit der Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft auch in Flugzeugen und Gebäuden eingesetzt werden, wo eine Luftumwälzung als Energiesparmaßnahme erwünscht ist. Später in diesem Monat, nach seiner Dissertationsverteidigung, wird Shi Versogen beitreten, einem von Yan gegründeten UD-Spin-off-Unternehmen, um die Forschung in Richtung nachhaltigen grünen Wasserstoffs weiter voranzutreiben.

Bezug: Shi L, Zhao Y, Matz S, Gottesfeld S, Setzler BP, Yan Y. Eine wasserstoffbetriebene elektrochemische Zelle mit kurzgeschlossener Membran zur Entfernung von CO2 aus der Luftversorgung von Energieaustauschmembran-Brennstoffzellen. nationale Energie. Online veröffentlicht am 3. Februar 2022: 1-10. mache ich:10.1038/s41560-021-00969-5

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