Neues Katalysesystem für die CO2-Umwandlung

Forschungsgruppen weltweit arbeiten an Technologien, mit denen sich Kohlendioxid (CO2) in Ausgangsstoffe für die Industrie umwandeln lässt. Experimente unter industriell relevanten Bedingungen fanden dabei überwiegend mit heterogenen Elektrokatalysatoren statt, also solchen Katalysatoren, die in einer anderen chemischen Phase vorliegen als die reagierenden Substanzen. Homogene Katalysatoren, die dieselbe Phase wie die Reaktanten haben, werden aber zumeist als effizienter und selektiver angesehen. Versuche unter industrienahen Bedingungen fehlten für sie bislang. Diese Lücke haben Forschende der Ruhr-Universität Bochum und von Fraunhofer UMSICHT nun geschlossen.

Ein Team um Kevinjeorjios Pellumbi und Prof. Dr. Ulf-Peter Apfel berichtet über die Arbeiten in der Zeitschrift „Cell Press Physical Science“. Der Artikel ist am 13. Dezember 2023 in der gedruckten Fassung erschienen.

Kevinjeorjios Pellumbi (links) und Ulf-Peter Apfel forschen an der Ruhr-Universität Bochum und am Fraunhofer UMSICHT (c) RUB, Marquard

„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. Seine Gruppe kooperierte für die Arbeiten mit dem Team um Prof. Dr. Wolfgang Schöfberger von der Johannes Kepler Universität Linz sowie Kolleginnen und Kollegen vom Fritz-Haber Institut in Berlin.

Effizient und lange stabil

Das Team untersuchte die Umwandlung von CO2 mittels Elektrokatalyse. Eine Spannungsquelle liefert dabei elektrische Energie, die dem Reaktionssystem über Elektroden zugeführt wird und die chemischen Umsetzungen an den Elektroden antreibt. Ein Katalysator erleichtert die Reaktion; bei der homogenen Elektrokatalyse handelt es sich dabei in der Regel um gelöste Metallkomplexe. In einer sogenannten Gasdiffusionselektrode strömt der Ausgangsstoff CO2 an der Elektrode vorbei, wo er mithilfe der Katalysatoren zu Kohlenstoffmonoxid umgesetzt wird. Dieses wiederum ist ein häufiger Ausgangsstoff für die chemische Industrie.

Die Forschenden integrierten die Metallkomplex-Katalysatoren in die Elektrodenoberfläche, ohne sie chemisch mit dieser zu verknüpfen. Sie zeigten, dass ihr System effizient CO2 umsetzen konnte: Es erzielte Stromdichten von mehr als 300 Milliampere pro Quadratzentimeter. Außerdem blieb das System über 100 Stunden lang stabil, ohne Zerfallserscheinungen zu zeigen.

Keine Verankerung des Katalysators erforderlich

Homogene Katalysatoren sind somit grundsätzlich für Elektrolysezellen geeignet. „Allerdings ist eine besondere Elektrodenzusammensetzung erforderlich“, schränkt Ulf-Peter Apfel ein. Genauer gesagt, müssen die Elektroden eine direkte Gasumwandlung ohne Lösemittel ermöglichen, sodass der Katalysator nicht aus der Elektrodenoberfläche ausgewaschen werden kann. Anders als in der Literatur häufig beschrieben braucht es dann aber auch kein Trägermaterial, das den Katalysator chemisch an die Elektrodenoberfläche koppelt.

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

Förderung

Die Arbeiten wurden unterstützt vom Fonds der Chemischen Industrie, der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters RESOLV (EXC 2033 – 390677874) und des Projekts mit dem Förderkennzeichen APAP242/9, dem Fraunhofer-Attract-Programm (097-602175), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Projekts „NanoMatFutur“ (03XP0421), dem Mercator Research Center Ruhr (Projekte DIMENSION/Ex-2021-0034 und KataSign/Ko-2021-0016), dem Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF (Projekte P28167 und P32045) sowie der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (Projekt 883671).

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Ulf-Peter Apfel
Anorganische Chemie I
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 21831
E-Mail: ulf.apfel@ruhr-uni-bochum.de

und
Abteilung Elektrosynthese
Fraunhofer UMSICHT
Tel.: +49 208 85981571
E-Mail: ulf-peter.apfel@umsicht.fraunhofer.de

Originalpublikation:

Kevinjeorjios Pellumbi et al.: Pushing the Ag-Loading of CO2 Electrolyzers to the Minimum via Molecularly Tuned Environments, in: Cell Reports Physical Science, 2023, DOI: 10.2139/ssrn.4540759, https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=4540759

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