Zehnmal schneller experimentieren

Treibstoffe und Chemikalien aus CO₂.

Warum nur ein Experiment auf einmal machen, wenn man auch zehn machen kann? Empa-Forschende haben ein System entwickelt, mit dem sich Katalysatoren, Elektroden und Reaktionsbedingungen für die Elektrolyse von Kohlendioxid bis zu zehnmal schneller erforschen lassen. Ergänzt wird das System von einer «open source»-Software zur Datenauswertung.

Mischt man einen fossilen Brennstoff mit etwas Sauerstoff und fügt einen Funken hinzu, entstehen dabei drei Dinge: Wasser, klimaschädliches Kohlendioxid und jede Menge Energie. Diese grundlegende chemische Reaktion findet in jedem Verbrennungsmotor statt, ob er mit Gas, Benzin oder Kerosin betrieben wird. Theoretisch lässt sich diese Reaktion umkehren: Aus freigesetztem CO₂ könnte man unter Zuführung von (erneuerbarer) Energie wieder Treibstoffe herstellen.

Dies ist die Idee hinter der vom ETH-Rat finanzierten «Joint Initiative» namens «SynFuels». Forschende der Empa und des Paul Scherrer Instituts (PSI) suchten während drei Jahren nach Möglichkeiten, wirtschaftlich und effektiv synthetische Treibstoffe – sogenannte Synfuels – aus CO₂ herzustellen. Denn diese Reaktion birgt einige Herausforderungen. Zum Einen: Bei der Elektrolyse von CO₂ entsteht nicht bloss der Treibstoff, der vorher verbrennt wurde. Vielmehr können sich über 20 verschiedene Produkte gleichzeitig bilden, die sich nur schwer voneinander trennen lassen.

Die Zusammensetzung dieser Produkte lässt sich auf diverse Arten steuern, etwa durch die Reaktionsbedingungen, durch den benutzten Katalysator sowie durch die Mikrostruktur der Elektroden. Die Anzahl möglicher Kombinationen ist enorm. Wie sollen Forschende da die beste finden? Jede Kombination einzeln untersuchen würde zu lange dauern. Empa-Forschende haben diesen Prozess nun um den Faktor 10 beschleunigt.

Die Forschung beschleunigen

Im Rahmen des «SynFuels»-Projekts haben Forschende rund um Corsin Battaglia und Alessandro Senocrate aus dem Empa-Labor «Materials for Energy Conversion» eine Anlage entwickelt, mit der sich bis zu zehn unterschiedliche Reaktionsbedingungen sowie Katalysator- und Elektrodenmaterialien gleichzeitig untersuchen lassen. Den Bauplan für das System und die dazugehörige Software haben die Forschenden nun in der Zeitschrift «Nature Catalysis» veröffentlicht.

Das System besteht aus zehn «Reaktoren»: Kleinen Kammern mit Katalysator und Elektroden, in denen die eigentliche Reaktion stattfindet. Jeder Reaktor ist über hunderte von Metern von Schläuchen an mehrere Zu- und Ableitungen für Gase und Flüssigkeiten sowie an diverse Messinstrumente angeschlossen. Zahlreiche Parameter werden vollautomatisch erfasst, etwa der Druck, die Temperatur, die Gasflüsse sowie die flüssigen und gasförmigen Reaktionsprodukte – und das alles mit einer hohen zeitlichen Auflösung.

«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 der Entwicklungsphase des Systems waren noch nicht einmal alle benötigten Instrumente auf dem Markt erhältlich. In Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Agilent Technologies haben die Empa-Forschenden das weltweit erste Online-Flüssigchromatographie-Gerät mitentwickelt. Es identifiziert und quantifiziert die flüssigen Reaktionsprodukte in Echtzeit noch während der Elektrolyse.

Forschungsdaten teilen

Zehnmal schneller Experimente durchführen generiert auch zehnmal so viele Daten. Um diese Daten auszuwerten, haben die Forschenden eine Software entwickelt, die sie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an anderen Institutionen «open source» zur Verfügung stellen. Und auch die Daten selbst wollen sie mit anderen Forschenden teilen. «Forschungsdaten verschwinden heute oft in der Schublade, sobald die Ergebnisse publiziert sind», erklärt Corsin Battaglia, Leiter des Empa-Labors «Materials for Energy Conversion». Ein gemeinsames Forschungsprojekt der Empa, des PSI und der ETH Zürich, das den Namen «PREMISE» trägt, soll dies verhindern: «Wir wollen standardisierte Methoden schaffen, Daten zu speichern und zu teilen», so Battaglia. «Dann können andere Forschende neue Erkenntnisse aus unseren Daten gewinnen – und umgekehrt.»

Der offene Zugang zu Forschungsdaten ist auch in weiteren Forschungsaktivitäten des «Materials for Energy Conversion»-Labors eine Priorität. So auch im Nationalen Forschungsschwerpunkt «NCCR Catalysis», in dem es um die nachhaltige Produktion von Chemikalien geht. Das neue Parallelsystem für die CO₂-Elektrolyse soll in der zweiten Phase dieses grossen nationalen Projekts erneut eine wichtige Rolle spielen. Sowohl die generierten Daten als auch das Knowhow werden anderen Schweizer Forschungsinstitutionen zur Verfügung stehen. Dafür wollen die Empa-Forschenden sowohl die Hardware als auch die Software fortlaufend weiterentwickeln.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Corsin Battaglia
Materials for Energy Conversion
Tel. +41 58 765 41 31
corsin.battaglia@empa.ch

Dr. Alessandro Senocrate
Materials for Energy Conversion
Tel. +41 58 765 41 48
alessandro.senocrate@empa.ch

Originalpublikation:

A Senocrate, F Bernasconi, P Kraus, N Plainpan, J Trafkowski, F Tolle, T Weber, U Sauter, C Battaglia; Parallel experiments in electrochemical CO₂ reduction enabled by standardized analytics; Nature Catalysis (2024); doi: 10.1038/s41929-024-01172-x https://www.nature.com/articles/s41929-024-01172-x

https://www.empa.ch/web/s604/parallel-co2-electrolysis