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Fokus Forschung: Elektrochemische Kohlenstoffdioxid-Reduktion am Katalysator erprobt

Fokus Forschung: Elektrochemische Kohlenstoffdioxid-Reduktion am Katalysator erprobt

Forschung, Veröffentlichungen, Forschungsprojekte

Forscherinnen und Forschern gelingt Veröffentlichung im renommierten Journal ACS Catalysis

Symbolbild zur CO2-Reduktion
CO2-Reduktion geht alle etwas an

Eine Minderung von klimaschädlichen CO2 in der Atmosphäre stellt eine der größten globalen Herausforderungen dar. Dazu kann die Konvertierung von CO2-Emissionen aus Industrieprozessen zu Plattformchemikalien einen wesentlichen Beitrag leisten. Im SMWK Innovationsvorhaben der HSMW ist es der Professur für Angewandte Chemie in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Technischen Universität Darmstadt (TU Darmstadt) gelungen, die elektrochemische CO2-Reduktion (CO2RR) an einem effizienten Katalysatormaterial zu erproben. Dabei stellt die CO2RR eine potenzielle und effizientere Alternative zu bestehenden chemischen Prozessen dar.

Etablierte Prozesse für die Konvertierung von CO2 liefern zwar hohe Durchsätze, benötigen aber hohe Temperaturen und Energiemengen. Diese werden zurzeit vorwiegend aus fossilen Energiequellen erzeugt. Entscheidende Vorteile bieten dagegen Technologien, die regenerativ erzeugte elektrische Energie direkt für die CO2-Konvertierung nutzen können. Die elektrochemische Konvertierung (Elektrolyse) bei moderaten Prozesstemperaturen stellt dafür eine besonders effiziente und umweltschonende Methode dar.

Im Gegensatz zu der bereits kommerziell etablierten Wasserelektrolyse zu Wasserstoff, stellt die Co-Elektrolyse von CO2 und H2O (CO2RR) zu industriell verwertbaren Produkten (z.B. CO, HCOOH, HCHO, CH3OH, C2H4) jedoch eine große wissenschaftlich-technische Herausforderung auf dem Gebiet der Katalysatorentwicklung und Prozessführung dar. Im Gegensatz zum relativ einfachen Reaktionsmechanismus der Wasserstoff-Entwicklung (HER), erfolgt die CO2RR unter Beteiligung zahlreicher Elektronen und Protonen über kaskadisch ablaufende Reaktionsschritte. Diese Komplexität führt zu teilweise hohen elektrischen Überspannungen für diese Reaktionen und zu einem breiten Spektrum an Produktmischungen.

Neben den zurzeit international intensiv untersuchten anorganischen (metallischen) und molekularen Katalysatoren bilden funktionalisierte Kohlenstoffe eine neue, vielversprechende und besonders kostengünstige Katalysatorklasse. Diese zeichnet sich durch eine hoch leitende Kohlenstoffmatrix aus, in der Stickstoff und/oder Metallionen in variablen Zusammensetzungen chemisch integriert sind.

In der Zusammenarbeit mit dem HZB und der TU Darmstadt konnte gezeigt werden, dass die Aktivität und Produktselektivität durch die Wahl der eingesetzten Metallionen und der elektronischen Eigenschaften der Kohlenstoffmatrix gezielt gesteuert werden können. Beispielsweise zeigen Nickel- und Eisen-funktionalisierte Kohlenstoffe in Gasdiffusions-elektroden hohe Faraday-Effizienzen bei der elektrochemischen Konvertierung von CO2 zu CO, während die Zinn und Zink basierten Katalysatoren eher die Bildung von Ameisensäure favorisieren. Somit können prinzipiell maßgeschneiderte Katalysatoren für die elektrochemische Synthese von industriell relevanten Basischemikalien (CH4, CO und HCOOH) bereitgestellt werden.

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden im renommierten Journal ACS Catalysis (Impact Factor 12,35) veröffentlicht. Link zu https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c05596

Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des von den Abgeordneten des Sächsischen Landtags beschlossenen Haushaltes.

 

Text: Prof. Iris Herrmann-Geppert
Fotos: Hochschule Mittweida