Das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid lässt sich durch Elektrolyse zu nützlichen Kohlenwasserstoffen umwandeln. Das Design der Elektrolysezelle ist dabei entscheidend. Für industrielle Prozesse eignet sich vor allem die so genannte Zero-Gap-Zelle. Doch noch gibt es Probleme: Die Kathoden verstopfen schnell. Nun hat ein Team um Dr. Matthew Mayer am HZB untersucht, woran dies liegt und wie sich dieser unerwünschte Prozess verhindern lässt.
Bei der Verbrennung von Erdöl, Kohle oder Erdgas entsteht Kohlenstoffdioxid oder CO2. Dieses Gas treibt einerseits die globale Erwärmung voran, ist aber auch selbst ein Rohstoff. Technisch ist es möglich, CO2 zu nützlichen Kohlenstoffverbindungen umzuwandeln, allerdings benötigt dieser Prozess Energie, Wasser, geeignete Elektroden sowie spezielle Katalysatoren.
CO2 kann elektrochemisch zu Kohlenmonoxid, Formiat oder Methan umgewandelt werden, aber auch zu Ethylen, Propanol, Acetat und Ethanol. Industrielle Prozesse müssen jedoch so gestaltet werden, dass sie hoch selektiv und extrem effizient sind, so dass ausschließlich die gewünschten Produkte entstehen (und nicht etwa ein Gemisch von Produkten).
CO2 wieder in Brennstoff umwandeln
„Durch die elektrolytische Reduktion von CO2 zu nützlichen Kohlenwasserstoffen können wir neue Brennstoffe erzeugen, ohne nochmals fossile Ressourcen zu brauchen. Wir führen das CO2 sozusagen in den Kreislauf zurück, wie beim Recycling“, erläutert Dr. Matthew Mayer, der am HZB die Helmholtz-Nachwuchsgruppe „Elektrochemische Konversion” leitet. Die elektrische Energie für die Elektrolyse kann dabei aus Wind oder Sonne kommen.
Die Zelle „ohne Lücke“:
Aus der Schule kennt man Elektrolysezellen, die wie ein Wasserbecken aussehen, eine Weiterentwicklung davon ist die H-Zelle, die wie der Buchstabe H geformt ist. Industrietauglich sind solche Zellen jedoch nicht. Stattdessen setzt man für das Design von industriellen Elektrolyseuren auf eine Sandwich-Architektur aus mehreren Schichten: Rechts und links die Elektroden, die den Strom leiten und mit Katalsysatoren beschichtet sind, eine Kupferbasierte Gasdiffusionsschicht, die das CO2- Gas einlässt, sowie eine Trennmembran.
Der Elektrolyt (hier an der Anode zugeführt und als Anolyt bezeichnet) besteht aus gelösten Kaliumverbindungen und ermöglicht den Ionen, zwischen den Elektroden zu wandern. Die Membran ist dafür ausgelegt, negativ geladene Ionen durchzulassen, und positiv geladene Kalium-Ionen zu blockieren.
Das Problem: Kalium-Kristalle aus dem Elektrolyten
Dennoch gelangen Kalium-Ionen aus dem Elektrolyten durch die Membran und bilden winzige Kristalle an der Kathode, die die Poren verstopfen. „Das sollte nicht passieren“, sagt Flora Haun, Doktorandin im Team von Matthew Mayer. Mit Rasterelektronenmikroskopie und weiteren Charakterisierungsmethoden hat das Team den Prozess der Kristallbildung an der Kathode eingehend untersucht, wobei sie systematisch die Konzentration des Elektrolyten variierten.
Im Rasterelektronenmikroskop sieht man die Kupfer-Kathode bei geringer Kalium-Konzentration (links) und bei höherer Kalium-Konzentration (rechts) im Elektrolyten. © HZB
Je mehr Kalium der Elektrolyt enthält, desto mehr verstopft die Kathode, zeigten die Untersuchungen. Doch die Lösung des Problems ist nicht einfach: Denn wenn man die Kalium-Konzentration reduziert, verschiebt sich damit auch das Reaktionsgleichgewicht: Statt dem gewünschten Ethylen entsteht Kohlenmonoxid.
Die Konzentration ist entscheidend
„Die wichtigste Beobachtung ist, dass Kationen die Anionenaustauschmembran doch durchdringen können, allerdings in einem Ausmaß, das von der Konzentration des Elektrolyten abhängt, und dass wir mit der Konzentration des Elektrolyten gleichzeitig regeln, welche Produkte sich aus dem CO2 bilden“, sagt Dr. Gumaa El Nagar, Postdoktorand im Team. „Im nächsten Schritt wollen wir mit operando und in situ Messungen an Röntgenquellen herausfinden, wie die Ionenwanderung in der Zelle die chemischen Reaktionsprozesse im Detail beeinflussen“, sagt Matthew Mayer.