de.wedoany.com-Bericht: Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory haben in Zusammenarbeit mit der University of California, Berkeley (UC Berkeley) und dem estnischen Nationalen Institut für Chemische Physik und Biophysik erstmals in Echtzeit den vollständigen Prozess der Umwandlung von Kohlendioxid in festen Kohlenstoff in einer Salzschmelze bei 500 °C (932 °F) beobachtet. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Die Technologie basiert auf dem Prinzip der Salzschmelzenelektrolyse. Flüssiges Salz, das auf hoher Temperatur gehalten wird, leitet Strom zwischen zwei Elektroden. Wenn Kohlendioxid in die Salzschmelze gelangt, entzieht der Strom seinen Sauerstoffatomen, und die Reduktionsreaktion lagert reinen festen Kohlenstoff an der Kathode ab. Bisher war die Beobachtung dieses Prozesses auf molekularer Ebene nahezu unmöglich, da heiße flüssige Salze stark korrosiv sind und Standard-Laboroptiken schnell zerstören. Das Forschungsteam entwickelte daher eine spezielle Reaktionszelle mit hitzebeständigen Linsen, die es einem maßgeschneiderten Mikroskop ermöglichte, während des Betriebs der Zelle bei 500 °C kontinuierlich visuelle Daten zu erfassen.
Die Echtzeitaufnahmen zeigten, dass die chemische Umwandlung in zwei verschiedenen Phasen abläuft. Kohlendioxid wird nicht direkt zu festem Kohlenstoff, sondern bildet zunächst einen intermediären chemischen Zustand, bevor es sich an der Elektrode ablagert. Die Forscher testeten verschiedene Salzmischungen und Elektrodenmaterialien und stellten fest, dass die grundlegende Zweistufenreaktion bei allen Kombinationen unverändert blieb, die Veränderung der Materialien jedoch die physikalische Struktur des abgeschiedenen Kohlenstoffs beeinflusste – unterschiedliche Elektrodenoberflächen und Salzchemien führten dazu, dass sich die Kohlenstoffatome in unterschiedlichen geometrischen Konfigurationen anordneten. Die Kontrolle über die physikalische Struktur ist ein Schlüsseltechnologie-Fortschritt dieser Studie. Batteriequalitäts-Graphit erfordert eine sehr spezifische Kristallorientierung: In Elektrofahrzeugbatterien müssen die Kohlenstoffschichten gleichmäßig beabstandet sein, damit energietragende Ionen reibungslos zwischen ihnen gleiten können. Da die Veränderung der Eingangsmaterialien die endgültige Kohlenstoffanordnung verändert, können Wissenschaftler das System entsprechend anpassen, um Batteriequalitäts-Graphit herzustellen.
Mike Whittaker, Wissenschaftler am Berkeley Lab, der an dem Projekt beteiligt war, erklärte, dies sei ein wichtiger Fortschritt in den größeren Bemühungen, Schlüsselmaterialien und Batteriematerialien mittels Salzschmelzen zu synthetisieren. Er wies darauf hin, dass der Prozess, wenn er mit kostengünstigen Salzen bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden könnte, an vielen Orten umgesetzt und genügend Graphit für die Batterie-Lieferkette erzeugen könnte. Allerdings bestehen vor einer industriellen Umsetzung noch technische Herausforderungen. Das aktuelle System benötigt kontinuierliche Energiezufuhr, um das Salz bei 500 °C flüssig zu halten. Das Team fasste zusammen, dass als nächste Schritte die optimale Kombination aus Salzschmelze, Elektrodenmaterial, Temperatur und Spannung zur Herstellung von Kohlenstoffmaterialien wie Graphit ermittelt werden müsse, während gleichzeitig die Produktionskapazität des Verfahrens auf industriell nutzbares Niveau gesteigert werden müsse. Beim Hochskalieren von der Mikro-Reaktionszelle auf einen Full-Size-Reaktor müssen Gasströmung, Wärmeverteilung und Stromdichte an größeren Elektrodenoberflächen sorgfältig gesteuert werden. Wenn diese betrieblichen Hürden überwunden werden, könnte die Technologie direkt abgeschiedene industrielle Emissionen zur Versorgung mit synthetischem Graphit nutzen.
