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Effiziente elektrochemische Zellen für die CO2-Konversion

29.10.2018

Ripatti et al.

Diese Illustration ist eine künstlerische Darstellung des Elektrolyseprozesses, mit dem CO2 in konzentrierte Kohlenstoffprodukte umgewandelt wird.

Wissenschaftler der Stanford University haben elektrochemische Zellen entwickelt, die aus CO2 gewonnenes Kohlenmonoxid (CO) effektiver und effizienter als bestehende Technologien in kommerziell verwertbare Verbindungen umwandeln. Ihre Forschung liefert eine neue Strategie zur Abtrennung von CO2 und deren Umwandlung in chemische Rohstoffe.

Die CO2-Abtrennung aus Emissionsquellen ist eine attraktive Option zur Minderung des Klimawandels, aber es ist ein teurer Prozess, bei dem ein Produkt ohne kommerziellen Wert geerntet wird. Wissenschaftler können jedoch den Wert des abgefangenen CO2 durch Elektrolyse erhöhen, eine Technik, die mit Hilfe von elektrischem Strom Verbindungen abbauen und in wünschenswerte Produkte wie Ethylen für die Polymerherstellung oder Acetat als Reagenz für die chemische Synthese umwandeln kann.

"C2-Produkte wie Ethylen, Acetat und Ethanol sind von Natur aus wertvoller als C1-Produkte wie Methan, weil sie vielseitige chemische Rohstoffe sind", sagt Senior-Autor Matthew Kanan, Associate Professor für Chemie an der Stanford University.

Während die Umwandlung von CO2 in CO bereits kommerziell möglich ist, ist die Entwicklung einer Technologie, die aus CO bedarfsgerechte C2-Chemikalien im industriellen Maßstab herstellen kann, immer noch eine Herausforderung. Die Elektrolyse muss CO mit hoher Geschwindigkeit in Produkte mit niedrigem Gesamtenergiebedarf umwandeln, um lebensfähig zu sein. Bisherige elektrochemische Zellen benötigten einen großen Überschuss an CO, um eine hohe Elektrolyse-Rate zu erreichen, was zu verdünnten Produkten führt, die konzentriert und gereinigt werden müssen - ein Prozess, der mehr Energie benötigt (mit höheren Kosten).

Die von Kanan und seinem Team entwickelten elektrochemischen Zellen bekämpfen diese Ineffizienzen mit einem modifizierten Design, das einen konzentrierten Strom von Ethylengas und eine Natriumacetatlösung erzeugt, die 1.000 Mal konzentrierter ist als das mit früheren Zellen erhaltene Produkt. Die Zelle verwendet eine Gasdiffusionselektrode (GDE) in Kombination mit einem sorgfältig entwickelten Strömungsfeld, das die Abgabe von CO an die Elektrodenoberfläche und die Entfernung von Produkten erheblich verbessert. Das Team eliminierte auch den Bedarf an einer Elektrolytlösung in der Zelle, indem es die GDE direkt mit einer Membran verband. Dadurch werden sowohl Ethylen als auch konzentrierte Acetatlösung an der Elektrode produziert und in einem einzigen Dampfstrom aus der Zelle gefegt.

"Vor dieser Arbeit war die Kombination aus hoher Elektrolyse, hoher CO-Konvertierung und konzentrierten Produktströmen nicht erreicht worden", sagt Kanan.

Das Team skaliert derzeit ihren Prototyp, um festzustellen, ob das Design modifiziert werden muss, um im industriellen Maßstab erfolgreich zu sein, und hofft, dass sie ihre CO-Elektrolysezellen schließlich mit bestehenden Technologien zur Umwandlung von CO2 in CO kombinieren können. Das Gerät kann auch für die Weltraumforschung nützlich sein, insbesondere für Weltraummissionen, bei denen eine Nachversorgung von der Erde aus nicht möglich ist. In Zusammenarbeit mit Forschern unter der Leitung von John Hogan am NASA Ames Research Center arbeitet das Team daran, die elektrochemische Synthese mit der mikrobiellen Biosynthese zu kombinieren, um das von Astronauten ausgeatmete CO2 in Lebensmittel und Nährstoffe zu recyceln.

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