In Rekordzeit zu Treibstoffen und Chemikalien aus CO2
Forschende der Empa haben ein automatisiertes System entwickelt, das die Erforschung von Katalysatoren, Elektroden und Reaktionsbedingungen für die optimale CO2-Elektrolyse um das Zehnfache beschleunigt. Eine Open-Source-Software zur Datenauswertung ergänzt das System.
Zehn Experimente parallel: Die neue Anlage der Empa ist in der Lage, die Forschung CO2-Elektrolyse um den Faktor zehn zu beschleunigen.
Foto: Empa
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) haben ein System entwickelt, das die Entwicklung von effizienten Elektrolyseverfahren zur Umwandlung von CO2 in Treibstoffe und Chemikalien deutlich beschleunigen könnte. Anstatt nur ein Experiment auf einmal durchzuführen, ermöglicht das neue System die gleichzeitige Untersuchung von bis zu zehn verschiedenen Reaktionsbedingungen, Katalysatoren und Elektrodenmaterialien.
Das automatisierte System beschleunigt den Forschungsprozess um das Zehnfache. Es besteht aus zehn “Reaktoren” – kleinen Kammern mit Katalysatoren und Elektroden, in denen die eigentlichen Reaktionen stattfinden. Jeder Reaktor ist über ein komplexes Netzwerk von Schläuchen mit mehreren Zu- und Ableitungen für Gase und Flüssigkeiten sowie diversen Messinstrumenten verbunden. Zahlreiche Parameter wie Druck, Temperatur, Gasflüsse sowie flüssige und gasförmige Reaktionsprodukte werden vollautomatisch erfasst – und das alles mit einer hohen zeitlichen Auflösung.
Weltweit erstes Online-Flüssigchromatographie-Gerät für CO2-Elektrolyse
“Soweit wir wissen, ist dies das erste System seiner Art für CO₂-Elektrolyse”, sagt Empa-Postdoktorand Alessandro Senocrate. “Es liefert eine große Anzahl hochwertiger Datensätze, die uns helfen werden, schneller Entdeckungen zu machen.” Während die Forschenden das System entwickelt haben, waren noch nicht mal alle benötigten Instrumente auf dem Markt erhältlich. Gemeinsam mit dem Unternehmen Agilent Technologies hat das Empa-Forschungsteam das weltweit erste Online-Flüssigchromatographie-Gerät mitentwickelt. Noch während der Elektrolyse identifiziert und quantifiziert es die flüssigen Reaktionsprodukte – in Echtzeit.
Die Beschleunigung der Experimente um den Faktor zehn erzeugt auch zehnmal so viele Daten. Um diese effizient auszuwerten, haben die Forschenden eine spezielle Software entwickelt. Diese steht auch anderen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in anderen Institutionen als Open-Source-Lösung zur Verfügung. Darüber hinaus planen Empa-Forschenden, auch die gewonnenen Daten selbst mit anderen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zu teilen.
PREMISE-Projekt fördert Austausch von Kohlendioxid-Forschungsdaten
“Forschungsdaten verschwinden heute oft in der Schublade, sobald die Ergebnisse publiziert sind”, so Corsin Battaglia. Er leitet des Empa-Labor “Materials for Energy Conversion”. Ein gemeinsames Forschungsprojekt der Empa, des PSI und der ETH Zürich namens “PREMISE” will das verhindern: “Wir wollen standardisierte Methoden schaffen, Daten zu speichern und zu teilen”, erläutert Battaglia. “Dann können andere Forschende neue Erkenntnisse aus unseren Daten gewinnen – und umgekehrt.”
Der offene Zugang zu Forschungsdaten spielt auch bei anderen Forschungsaktivitäten des “Materials for Energy Conversion”-Labors eine wichtige Rolle, zum Beispiel im Nationalen Forschungsschwerpunkt “NCCR Catalysis”. Hier geht es um die nachhaltige Produktion von Chemikalien. Das neue Parallelsystem für die CO2-Elektrolyse geht in die zweiten Phase und soll im Rahmen dieses großen, nationalen Projekts erneut eine wichtige Rolle spielen. Knowhow und generierte Daten werden anderen Schweizer Forschungsinstitutionen zur Verfügung gestellt. Die Empa-Forschenden wollen hierfür sowohl die Hardware als auch die Software fortlaufend weiterentwickeln.
Effiziente Datenauswertung beschleunigt nachhaltige CO2-Nutzung
Die Kombination aus dem Parallelsystem und effizienter Datenauswertung ebnet den Weg für eine schnellere Entwicklung nachhaltiger Technologien zur CO2-Nutzung. Durch deren Einsatz können vielversprechende Katalysatoren, Elektroden und Reaktionsbedingungen künftig noch schneller und gezielter identifiziert werden. Die von den Forschenden entwickelten System schaffen eine wichtige technische Voraussetzung, um Treibhausgasemissionen wirksam zu reduzieren. Zudem helfen sie dabei, eine Kreislaufwirtschaft zu etablieren, in der Kohlendioxid nicht länger als Abfallprodukt, sondern als wertvoller Rohstoff betrachtet wird.
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