Mit Hilfe der Elektrochemie zu mehr Nachhaltigkeit

CO2 ist kein Abfallprodukt, sondern ein wertvoller chemischer Rohstoff. Man muss ihn nur zu nutzen wissen: Mit Hilfe von Katalysatoren kann Kohlendioxid z.B. zu Methanol reduziert werden, welches wiederum in Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) Anwendung findet.

Effektive Katalysatoren sind für diese Reaktionen entscheidend und Dr. Karl Mayrhofer, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf (MPIE) will sie genauer unter die Lupe nehmen. Das Projekt „ECCO2 – Kombinatorische elektrokatalytische CO2-Reduktion“ wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BmBF) mit über 1 Millionen € unterstützt.

In einem kompetetiven Verfahren setzte sich Mayrhofer gegen viele Mitbewerber durch und konnte sich so die Gelder für nun erst mal drei Jahre sichern. Das ist nicht viel Zeit für einen so ehrgeizigen Plan: in einem neuen Versuchsaufbau sollen die Zusammenhänge zwischen Aktivität, Selektivität und Stabilität verschiedener Katalysatoren untersucht werden.

Damit viele Katalysatoren verschiedener Zusammensetzung möglichst schnell untersucht werden können, werden sogenannter Materialbibliotheken angelegt. Dafür werden zwei oder drei Metalle in Schichten unterschiedlicher Konzentrationen auf einen Träger gedampft. Einzelne Punkte dieser Metallkombinationen werden nacheinander mit einer speziellen elektrochemischen Zelle, welche am MPIE maßgeblich entwickelt wurde, abgerastert.

In dieser Durchflusszelle befindet sich das Reaktionsmedium (Elektrolyt) und das CO2, welches mit einer Pumpe über den betreffenden Punkt der Materialbibliothek geleitet wird. So kann die Umsetzung des CO2 an jeder beliebig und mikrometergenau ansteuerbaren Katalysatorzusammensetzung stattfinden. Die Reaktionsprodukte werden über den Pumpmechanismus in die Analytik geleitet und dort sehr genau auf ihre Zusammensetzung untersucht. Höchst geringe Konzentrationen eines Stoffes können mit dieser ICP-MS (induktive gekoppeltes Plasma kombiniert mit Massenspektrometrie) nachgewiesen werden.

Diese einzigartige Kombination aus elektrochemischer Durchflusszelle und anschließender Analytik erlaubt es erstmals, nicht nur Aussagen über die Aktivität und Selektivität der Katalysatoren zu machen, sondern gleichzeitig auch über ihre Stabilität, da Katalysatorabbauprodukte ebenso detektiert werden können wie Reaktionsprodukte. „Das Ziel ist es, verbesserte Katalysatoren für die elektrochemische CO2 Reduktion herzustellen und ihre Effizienz in Prototypen zu prüfen, so dass der gesamte Prozess auch für die Industrie interessant wird“, sagt Mayrhofer. Der junge Österreicher ist seit 2010 am MPIE und leitet die Gruppe Elektrokatalyse mit momentan ca. 10 Mitarbeitern.