Zum Schutz des Klimas ist es das Ziel, CO₂ aus Verbrennungsprozessen zurückzugewinnen und als wertvollen Rohstoff zu nutzen. Dies ist eine Herausforderung, da Abgase nicht nur CO₂, sondern auch andere Gase enthalten. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Zentrum für Elektrochemie an der Ruhr-Universität Bochum hat nun gezeigt, wie CO₂ auch bei niedrigen Konzentrationen elektrochemisch reduziert und wiederverwendet werden kann. Darüber berichten sie am 23. Dezember 2024 in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“.

Anders als unter vielen Laborbedingungen macht CO₂ in Abgasen oder in der Atmosphäre nur einen geringen Anteil am Gasgemisch aus. Um es unter realistischen Bedingungen zu extrahieren und als wertvollen Rohstoff zu nutzen, müssen katalytische Prozesse daher auch dann funktionieren, wenn die CO₂-Konzentration niedrig ist.

Konkurrierende Reaktionen verhindern

„Unser Problem liegt in den konkurrierenden Reaktionen, die im Katalysator ablaufen“, erklärt Wolfgang Schuhmann. „Je weniger CO₂-Moleküle zur Umwandlung vorhanden sind, desto wahrscheinlicher wird die Bildung von Wasserstoff anstelle des gewünschten Produkts.“ Wenn man den Elektrolyten anpasst und eine alkalischere Lösung wählt, um dies zu verhindern, tritt jedoch ein weiteres Problem auf: Das CO₂ wird zu Carbonat umgewandelt und steht für die gewünschten Reaktionen nicht mehr zur Verfügung.

Erfolgreiche katalytische Prozesse zur CO₂-Reduktion wurden bereits bei einem CO₂-Gehalt von 10 bis 20 Prozent beschrieben. Doch was, wenn der Gehalt noch niedriger ist? „Durch den Einsatz eines superaktiven, nickel-kupferbasierten Katalysators konnten wir eine erfolgreiche Katalyse bei bis zu fünf Prozent CO₂-Gehalt erreichen“, sagt Adib Mahbub, Erstautor der Publikation. Unterhalb dieses Wertes mussten die Forschenden zu speziellen Maßnahmen greifen: Durch die Anpassung der elektrischen Potenziale und des Elektrolyten gelang es sogar, eine Reduktion aus einem Gasgemisch mit nur zwei Prozent CO₂ durchzuführen. „Dies geht zwar mit einem Energieverlust einher, eröffnet durch eine intelligente Prozesssteuerung aber Quellen, die wir bislang nicht für die CO₂-Reduktion nutzen konnten“, ergänzt Wolfgang Schuhmann. „Zukünftige Generationen werden auf solchen Konzepten aufbauen müssen, wenn sie CO₂ aus der Atmosphäre entfernen wollen, wo der CO₂-Gehalt noch geringer ist.“

Förderung

Diese Arbeit wurde finanziell vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (CasCat 833408) unterstützt.

Wissenschaftliche Kontakte
Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann
Analytische Chemie – Zentrum für Elektrochemie
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Telefonnummer: +49 234 32 26200
E-Mail: wolfgang.schuhmann@ruhr-uni-bochum.de
Website der Arbeitsgruppe: https://www.elan.ruhr-uni-bochum.de/elan/index.html

Originalpublikation
Muhammad Adib Abdillah Mahbub, Dr. Debanjan Das, Dr. Xin Wang, Dr. Guilong Lu, Prof. Martin Muhler, Prof. Wolfgang Schuhmann
Zeitschrift: Angewandte Chemie
Titel des Artikels: Towards the Use of Low-Concentration CO2 Sources by Direct Selective Electrocatalytic Reduction
Artikel-Veröffentlichungsdatum: 23. Dezember 2024
DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202419775

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Quelle: IDW