Forschung 21.12.2023, 10:03 Uhr

Neue Methode zur effektiven CO2-Katalyse entwickelt

Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum und des Fraunhofer UMSICHT haben erfolgreich homogene Elektrokatalysatoren entwickelt und getestet, die CO2 effizient in wertvolle Rohstoffe für die Industrie umwandeln können.

CO2-Umwandlung

Die Forscher demonstrierten mit dieser Elektrolysezelle, dass auch homogene Katalysatoren für die CO2-Umwandlung geeignet sind.

Foto: RUB, Marquard

Wissenschaftler weltweit entwickeln Techniken, um Kohlendioxid (CO2) in Rohstoffe für die Industrie umzuwandeln. Bisher wurden hauptsächlich heterogene Elektrokatalysatoren verwendet, die sich in einer anderen chemischen Phase als die beteiligten Substanzen befinden. Obwohl homogene Katalysatoren, die in der gleichen Phase wie die Reaktanten agieren, oft als effektiver und selektiver betrachtet werden, fehlten bisher Experimente unter realen industriellen Bedingungen. Dieses Defizit haben Experten der Ruhr-Universität Bochum und des Fraunhofer UMSICHT jetzt behoben.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Kevinjeorjios Pellumbi und Prof. Dr. Ulf-Peter Apfel hat ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Cell Press Physical Science“ veröffentlicht.

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Effiziente Technologie für die CO2-Umwandlung etablieren

„Ziel unserer Arbeit ist es, die technischen Limits zu verschieben, um eine effiziente Technologie für die CO2-Umwandlung zu etablieren, die aus dem klimaschädlichen Gas einen Wertstoff macht“, sagt Ulf-Peter Apfel.

Das Forscherteam analysierte die Umwandlung von CO2 durch Elektrokatalyse. Durch eine Spannungsquelle wird elektrische Energie erzeugt, die über Elektroden dem Reaktionssystem zugeführt wird und somit die chemischen Prozesse an den Elektroden steuert. Ein Katalysator unterstützt diese Reaktion; in homogenen Elektrokatalysen handelt es sich meist um gelöste Metallkomplexe. Bei der Gasdiffusionselektrode bewegt sich CO2 an der Elektrodenoberfläche vorbei und wird durch die Katalysatoren in Kohlenstoffmonoxid umgewandelt, ein gängiger Rohstoff in der chemischen Industrie.

Stromdichten von über 300 Milliampere pro Quadratzentimeter erreicht

Die Wissenschaftler integrierten die Metallkomplex-Katalysatoren in die Elektrodenstruktur, ohne sie chemisch damit zu verbinden. Sie konnten nachweisen, dass ihr Ansatz effektiv CO2 verarbeitete: Es wurden Stromdichten von über 300 Milliampere pro Quadratzentimeter erreicht. Zudem blieb das System über einen Zeitraum von mehr als 100 Stunden stabil, ohne Anzeichen von Degradation zu zeigen.

Spezielle Elektrodenstruktur erforderlich

Homogene Katalysatoren eignen sich grundsätzlich für Elektrolysezellen. Jedoch bedarf es einer speziellen Elektrodenstruktur. Konkret sollten die Elektroden eine direkte Gasumwandlung ohne den Einsatz von Lösungsmitteln ermöglichen, damit der Katalysator nicht von der Elektrodenoberfläche abgetragen wird. Im Gegensatz zu häufig in der Literatur beschriebenen Ansätzen ist kein Trägermaterial erforderlich, das den Katalysator chemisch an die Elektrodenbindung bindet.

„Die Ergebnisse eröffnen die Möglichkeit, leistungsfähige und leicht variierbare homogene Elektrokatalysatoren in Anwendungsszenarios für elektrochemische Prozesse zu testen und zu integrieren“, resümiert Apfel.

Ein Beitrag von:

  • Alexandra Ilina

    Redakteurin beim VDI-Verlag. Nach einem Journalistik-Studium an der TU-Dortmund und Volontariat ist sie seit mehreren Jahren als Social Media Managerin, Redakteurin und Buchautorin unterwegs.  Sie schreibt über Karriere und Technik.

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