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Kohlendioxid (CO₂) entsteht bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe und ist das häufigste Treibhausgas. Es kann nachhaltig in nutzbare Brennstoffe umgewandelt werden. Ein vielversprechender Ansatz hierfür ist die elektrochemische Reduktion. Um jedoch wirtschaftlich rentabel zu sein, muss das Verfahren verbessert werden, um gezielt kohlenstoffreiche Produkte zu gewinnen. Wie nun in der Fachzeitschrift Nature Energy berichtet wird, hat das Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) eine neue Methode entwickelt, um die Oberfläche des für die Hilfsreaktion verwendeten Kupferkatalysators zu optimieren und so die Selektivität des Prozesses zu erhöhen.
„Obwohl wir wissen, dass Kupfer der beste Katalysator für diese Reaktion ist, bietet er keine hohe Selektivität für das gewünschte Produkt“, sagte Alexis Spell, leitende Wissenschaftlerin am Department of Chemical Sciences des Berkeley Lab und Professorin für Chemieingenieurwesen an der University of California, Berkeley. „Unser Team hat herausgefunden, dass man die lokale Umgebung des Katalysators nutzen kann, um durch verschiedene Tricks diese Art von Selektivität zu erreichen.“
In früheren Studien haben Forscher präzise Bedingungen ermittelt, um optimale elektrische und chemische Bedingungen für die Herstellung kohlenstoffreicher Produkte mit kommerziellem Wert zu schaffen. Diese Bedingungen stehen jedoch im Widerspruch zu den natürlichen Bedingungen in typischen Brennstoffzellen, die wasserbasierte leitfähige Materialien verwenden.
Um das Design für die Wasserumgebung von Brennstoffzellen zu ermitteln, wandten sich Bell und sein Team im Rahmen des Projekts „Energy Innovation Center“ der Liquid Sunshine Alliance des Energieministeriums einer dünnen Ionomerschicht zu. Diese lässt bestimmte geladene Moleküle (Ionen) passieren, andere hingegen nicht. Aufgrund ihrer hochselektiven chemischen Eigenschaften eignen sie sich besonders gut, um die Mikroumgebung gezielt zu beeinflussen.
Chanyeon Kim, Postdoktorandin in der Arbeitsgruppe von Bell und Erstautorin der Studie, schlug vor, die Oberfläche von Kupferkatalysatoren mit den beiden gängigen Ionomeren Nafion und Sustainion zu beschichten. Das Team vermutete, dass sich dadurch die Umgebung des Katalysators – einschließlich pH-Wert, Wasser- und Kohlendioxidkonzentration – so verändern würde, dass die Reaktion in Richtung kohlenstoffreicher Produkte gelenkt wird, die sich leicht in nützliche Chemikalien und flüssige Kraftstoffe umwandeln lassen.
Die Forscher trugen eine dünne Schicht jedes Ionomers sowie eine Doppelschicht zweier Ionomere auf einen mit einem Polymermaterial geträgerten Kupferfilm auf, um einen Film zu erzeugen, den sie nahe einem Ende einer handförmigen elektrochemischen Zelle einsetzten. Beim Einleiten von Kohlendioxid in die Zelle und Anlegen einer Spannung maßen sie den durchfließenden Gesamtstrom. Anschließend analysierten sie die während der Reaktion im angrenzenden Reservoir aufgefangenen Gase und Flüssigkeiten. Im Fall der Doppelschicht stellten sie fest, dass kohlenstoffreiche Produkte 80 % der von der Reaktion verbrauchten Energie ausmachten – im Vergleich zu 60 % im unbeschichteten Fall.
„Diese Sandwichbeschichtung vereint die Vorteile beider Welten: hohe Produktselektivität und hohe Aktivität“, so Bell. Die Doppelschichtoberfläche eignet sich nicht nur für kohlenstoffreiche Produkte, sondern erzeugt gleichzeitig einen starken Strom, was auf eine erhöhte Aktivität hindeutet.
Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die verbesserte Reaktion auf die hohe CO₂-Konzentration zurückzuführen ist, die sich in der Beschichtung direkt über dem Kupfer ansammelt. Zusätzlich führen negativ geladene Moleküle, die sich im Bereich zwischen den beiden Ionomeren ansammeln, zu einer geringeren lokalen Azidität. Diese Kombination kompensiert die Konzentrationsunterschiede, die ohne Ionomerfilme üblicherweise auftreten.
Um die Reaktionseffizienz weiter zu steigern, griffen die Forscher auf eine bereits bewährte Technologie zurück, die keinen Ionomerfilm benötigt: die Pulsspannung. Durch Anlegen einer Pulsspannung an die Doppelschicht-Ionomerbeschichtung erzielten sie eine 250%ige Steigerung der kohlenstoffreichen Produkte im Vergleich zu unbeschichtetem Kupfer und statischer Spannung.
Obwohl sich einige Forscher auf die Entwicklung neuer Katalysatoren konzentrieren, werden bei der Entdeckung des Katalysators die Betriebsbedingungen nicht berücksichtigt. Die Kontrolle der Umgebungsbedingungen auf der Katalysatoroberfläche stellt einen neuen und anderen Ansatz dar.
„Wir haben keinen völlig neuen Katalysator entwickelt, sondern unser Verständnis der Reaktionskinetik genutzt, um die Umgebung des Katalysatorzentrums zu verändern“, sagte Adam Weber, leitender Ingenieur und Wissenschaftler im Bereich Energietechnologie an den Berkeley Laboratories sowie Mitautor mehrerer Fachartikel.
Der nächste Schritt ist die Ausweitung der Produktion beschichteter Katalysatoren. Die Vorversuche des Teams vom Berkeley Lab umfassten kleine, flache Modellsysteme, die deutlich einfacher waren als die großflächigen, porösen Strukturen, die für kommerzielle Anwendungen benötigt werden. „Das Aufbringen einer Beschichtung auf eine ebene Oberfläche ist nicht schwierig. Kommerzielle Verfahren beinhalten jedoch die Beschichtung winziger Kupferkugeln“, so Bell. Das Aufbringen einer zweiten Beschichtungsschicht stellt eine Herausforderung dar. Eine Möglichkeit besteht darin, die beiden Beschichtungen in einem Lösungsmittel zu mischen und gemeinsam aufzutragen, in der Hoffnung, dass sie sich beim Verdunsten des Lösungsmittels trennen. Was aber, wenn dies nicht der Fall ist? Bell schlussfolgerte: „Wir müssen einfach intelligenter vorgehen.“ Siehe Kim C, Bui JC, Luo X et al. Customized catalyst microenvironment for electro-reduction of CO2 to multi-carbon products using double-layer ionomer coating on copper. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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Veröffentlichungsdatum: 22. November 2021
