Klimaneutrale Energie Kohlendioxid in Energieträger für Brennstoffzellen umwandeln

Ein an der Rice University gebauter elektrokatalysischer Reaktor recycelt Kohlendioxid, um Ameisensäure für Brennstoffzellen mithilfe von Strom herzustellen.
Ein an der Rice University gebauter elektrokatalysischer Reaktor recycelt Kohlendioxid, um Ameisensäure für Brennstoffzellen mithilfe von Strom herzustellen.

Ein Elektrolyseur, der aus regenerativer Energie saubere Flüssigbrennstoffe herstellt, könnte Treibhausgase effizient aufbereiten und deren Ausstoß reduzieren. An der Rice University hat ein Team um Professor Haotian Wang einen solchen Reaktor entwickelt, der Kohlendioxid in Ameisensäure umsetzt.

Ameisensäure auf herkömmliche Weise aus Kohlendioxid zu gewinnen benötigt kostspielige und energieintensive Aufbereitungsschritte. Anders der Elektrolyseur, den das Labor des Chemie- und Biomolekular-Ingenieurs Haotian Wang an der Rice University entwickelt hat.

Bild 1 zeigt den schematischen Aufbau dieses Elektrolyseurs. Links sieht man einen Katalysator, der Kohlendioxid selektiert und zu negativ geladenem Formiat (Salz der Ameisensäure) reduziert, das durch eine Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer, GDL) und die Anionen-Austauschmembran (Anion Exchange Membrane, AEM) in den zentralen Elektrolyten gelangt. Auf der rechten Seite erzeugt ein Katalysator über die Sauerstoff-Entwicklungsreaktion (Oxygen Evolution Reaction, OER) positiv geladene Protonen aus Wasser und leitet sie durch die Kationen-Austauschmembran (Cation Exchange Membrane, CEM). Die Ionen rekombinieren und bilden Ameisensäure oder andere Produkte, die sich mithilfe von deionisiertem Wasser (DI) und Gas aus dem System entnehmen lassen. Die Methode ist in Nature Energy beschrieben.

Im Versuch erreichte der neue Elektrokatalysator einen energetischen Wirkungsgrad von rund 42 Prozent. Das bedeutet, dass fast die Hälfte der elektrischen Energie in Form Flüssigbrennstoff gespeichert werden konnte. Der derzeitige Reaktor lieferte über einhundert Stunden kontinuierlich Ameisensäure. Gleichzeitig bauten sich die Bestandteile des Reaktors, einschließlich der nanoskaligen Katalysatoren, nur geringfügig ab. Wang schlug vor, den Reaktor leicht umzurüsten, um höherwertige Brennstoffe wie Essigsäure, Ethanol oder Propanol zu produzieren.

»Ameisensäure ist ein Energieträger«, betonte Wang. »Sie eignet sich als Treibstoff für Brennstoffzellen, um Strom zu erzeugen. Das Nebenprodukt Kohlendioxid lässt sich wiederum auffangen und wiederverwerten. Auch als Speichermaterial für Wasserstoff ist Ameisensäure von grundlegender Bedeutung, denn sie kann fast das Tausendfache an Energie bei gleichem Volumen speichern als gasförmiger Wasserstoff, der sich nur schwer verdichten lässt«, ergänzt er. »Das ist derzeit eine große Herausforderung für Autos mit Brennstoffzellenantrieb.«

»Im Gesamtkontext ist die Verringerung des CO2-Ausstoßes sehr wichtig für die Auswirkungen auf die globale Erwärmung und die umweltverträgliche chemische Synthese«, so Wang. »Stammt der Strom aus erneuerbaren Quellen wie Sonne oder Wind, können wir einen Kreislauf schaffen, der Kohlendioxid in etwas Sinnvolles verwandelt, ohne mehr davon freizusetzen.«

Kein Salz mehr nötig

Zwei Fortschritte machten das neue System möglich, meinte Chuan Xia, Hauptautor der Studie und Postdoktorand an der Rice University. Zum einen war es die Entwicklung eines robusten, zweidimensionalen Katalysators aus Bismut, zum anderen ein Festelektrolyt, der den Bedarf an Salz als Teil der Reaktion beseitigt.

»Bismut ist ein sehr schweres Atom verglichen mit Übergangsmetallen wie Kupfer, Eisen oder Kobalt«, erklärte Wang. »Es ist viel weniger mobil, vor allem unter Reaktionsbedingungen. Damit bleibt der Katalysator stabil.« Außerdem wies er darauf hin, dass der Reaktor so strukturiert ist, dass Wasser den Katalysator nicht erreicht und somit diesen auch nicht beschädigen kann.

»Katalysatoren werden derzeit in der Größenordnung von Milligramm oder Gramm produziert«, sagt Chuan Xia. »Wir dagegen können sie im Kilogramm-Maßstab herstellen. Das hilft uns, den Prozess für die Industrie zu skalieren.«

Der polymerbasierte Festelektrolyt ist mit Sulfonsäure-Liganden beschichtet, um positive Ladungsträger zu leiten, oder mit funktionellen Aminogruppen, um negative Ladungsträger zu leiten. »Normalerweise reduziert man Kohlendioxid in einem flüssigen Elektrolyten, etwa Salzwasser«, erklärte Wang. »Es soll ja elektrischer Strom geleitet werden, deionisiertes Wasser jedoch besitzt als Elektrolyt einen zu hohen elektrischen Widerstand. Daher gibt man Salze wie Natriumchlorid oder Kaliumbikarbonat zu, damit sich die Ionen im Wasser frei bewegen können.«

»Erzeugt man aber auf diese Weise Ameisensäure, vermengt sich diese mit den Salzen«, sagte er. »Für die meisten Anwendungen müssen die Salze jedoch aus dem Endprodukt entfernt werden, was sehr energie- und kostenintensiv ist. Deshalb verwenden wir Festelektrolyte, die Protonen leiten und sich aus unlöslichen Polymeren oder anorganischen Verbindungen zusammensetzen können. Dadurch benötigen wie keine Salze.«

Die Durchflussrate des Wassers durch die Gerätekammer bestimmt die Konzentration der Ameisensäurelösung. Fließt es langsamer, lässt sich mit dem aktuellen Aufbau eine Lösung mit fast 30 Gewichtsprozent an Ameisensäure erreichen, durch schnellere Durchflüsse lässt sich die Konzentration anpassen. Die Forscher erwarten, dass Reaktoren der nächsten Generation höhere Konzentrationen erreichen können. Diese sollen Gasströme direkt aufnehmen können, um reine Dämpfe aus Ameisensäure zu erzeugen.

Das Rice-Labor arbeitete mit dem Brookhaven National Laboratory zusammen, um den laufenden Prozess zu verfolgen. »Mithilfe der Röntgenabsorptionsspektroskopie an der Strahllinie der Inner Shell Spectroscopy (ISS) an der Nationalen Synchrotronlichtquelle II des Brookhaven Lab können wir die Elektronenstruktur von Elektrokatalysatoren in operando untersuchen – also während des eigentlichen chemischen Prozesses«, sagt Mitautor Eli Stavitski, Lead Beamline Researcher am ISS. »In dieser Arbeit haben wir die Oxidationszustände von Bismut bei verschiedenen Potenzialen verfolgt und konnten den aktiven Zustand des Katalysators bei der Reduzierung von Kohlendioxid identifizieren.«

Originalpublikation

Chuan Xia, et al., Continuous production of pure liquid fuel solutions via electrocatalytic CO2 reduction using solid-electrolyte devices, Nature Energy vol. 4, pages776–785 (2019), DOI: 10.1038/s41560-019-0451-x