Ein stabiler Kupfer-Katalysator für die CO2-Umwandlung

CO₂ lässt sich elektrochemisch in Ausgangsstoffe für die Industrie umwandeln. Bislang fehlen aber Katalysatoren, die über lange Zeit stabil sind. Mit ein paar Tricks könnte sich das Problem lösen lassen.

Einen neuen Katalysator für die Umwandlung von Kohlendioxid (CO₂) in Chemikalien oder Treibstoffe haben Forschende der RUB und Universität Duisburg-Essen entwickelt. Sie optimierten bereits verfügbare Kupfer-Katalysatoren, um ihre Selektivität und Langzeitstabilität zu verbessern. Die Ergebnisse beschreibt das Team um Dr. Yanfang Song und Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie mit dem Team um Prof. Dr. Corina Andronescu von der Duisburg-Essener Arbeitsgruppe Technische Chemie III in der Zeitschrift Angewandte Chemie, online veröffentlicht am 9. Februar 2021.

Das Klimagas CO2 lässt sich in größere Kohlenstoffverbindungen umwandeln, die als Grundchemikalien für die Industrie oder als Kraftstoffe genutzt werden können. Forschende verfolgen die Idee, CO2 elektrochemisch mithilfe regenerativer Energien umzusetzen. So würden nicht nur nützliche Produkte entstehen; diese würden gleichzeitig auch als Speicher für die erneuerbaren Energien dienen. Kupfer hat sich in früheren Studien bereits als vielversprechender Katalysator herausgestellt, allerdings muss es in Form eines teilweise positiv geladenen Ions vorliegen – und genau das stellt das Problem dar.

Unter herkömmlichen Reaktionsbedingungen wird Kupfer schnell von seiner positiv geladenen Form in den neutralen Zustand umgewandelt, was für die Bildung von Produkten mit mehr als zwei Kohlenstoffatomen ungünstig ist und so den Katalysator deaktiviert.

Das Team aus Bochum und Duisburg-Essen modifizierte daher einen Kupfer-Katalysator mit Bor. Die Forscherinnen und Forscher testeten verschiedene Kupfer-Bor-Verhältnisse und bestimmten die optimale Zusammensetzung, um das Entstehen von Verbindungen mit mehr als zwei Kohlenstoffatomen zu begünstigen. Sie zeigten außerdem, dass der Bor-Kupfer-Katalysator bei Stromdichten betrieben werden kann, wie sie im industriellen Maßstab erforderlich wären.

Zink verhindert Korrosionsschäden

Das System setzten sie in Form einer Gasdiffusionselektrode um, in der ein fester Katalysator die elektrochemische Reaktion zwischen der flüssigen und gasförmigen Phase katalysiert. Wichtig dabei ist, dass sich ausreichend CO2 in der Grenzregion zwischen Gas- und Flüssigphase löst. Das gelang den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern durch den Einsatz eines speziellen Bindemittels.

Eine weitere Herausforderung ist, das System über lange Zeit stabil zu halten. Es gilt beispielsweise, die Korrosion der Elektroden zu verhindern. Zu diesem Zweck integrierten die Chemikerinnen und Chemiker eine sogenannte Opferanode aus Zink in das System. Da Zink ein weniger edles Metall als Kupfer ist, wird dieses zuerst korrodiert, während das Kupfer verschont bleibt.

„Die Kombination aus einem selektiven und aktiven Katalysatormaterial in einer Gasdiffusionselektrode und dem Zusatz des stabilisierenden Zinks ist ein wichtiger Schritt in Richtung der stofflichen Nutzung von CO2“, resümiert Wolfgang Schuhmann.

Die Universitätsallianz Ruhr

Seit 2007 arbeiten die drei Ruhrgebietsuniversitäten unter dem Dach der Universitätsallianz Ruhr (UA Ruhr) strategisch eng zusammen. Durch Bündelung der Kräfte werden die Leistungen der Partneruniversitäten systematisch ausgebaut. Unter dem Motto „gemeinsam besser“ gibt es inzwischen über 100 Kooperationen in Forschung, Lehre und Verwaltung. Mit mehr als 120.000 Studierenden und nahezu 1.300 Professorinnen und Professoren gehört die UA Ruhr zu den größten und leistungsstärksten Wissenschaftsstandorten Deutschlands.

Förderung

Finanzielle Unterstützung für das Projekt kam vom Europäischen Forschungsrat im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (CasCat, 833408), von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Forschungsgruppe FOR 2397e2 sowie des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation, kurz RESOLV (EXC 2033–390677874), vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (MatGasDif, 03XP0263), von der Alexander von Humboldt-Stiftung sowie dem International Clean Energy Talent Program.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann
Analytische Chemie
Zentrum für Elektrochemie
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 26200
E-Mail: wolfgang.schuhmann@rub.de

Originalpublikation:

Yanfang Song, João R. C. Junqueira, Nivedita Sikdar, Denis Öhl, Stefan Dieckhöfer, Thomas Quast, Sabine Seisel, Justus Masa, Corina Andronescu, Wolfgang Schuhmann: B‐Cu‐Zn‐Gasdiffusionselektroden für die elektrokatalytische CO2‐Reduktion zu C2+‐Produkten bei hohen Stromdichten, in: Angewandte Chemie, DOI: 10.1002/ange.202016898, International Edition: 10.1002/anie.202016898

https://news.rub.de/presseinformationen/wissenschaft/2021-03-26-elektrochemie-ein-stabiler-kupfer-katalysator-fuer-die-co2-umwandlung