Nanosilber als Elektrokatalysator für die CO₂-Verwertung

Durch Elektrolyse lässt sich CO₂ zu CO reduzieren, einem Ausgangsstoff für weitere chemische Produkte wie beispielsweise Kraftstoffe. Im Rahmen des GreenQUEST-Projekts hat ein internationales Team um den HZB-Chemiker Prashanth Menezes Katalysatorschichten aus Silbernanopartikeln systematisch untersucht und dabei sowohl die Partikelgröße als auch deren Dichte variiert. Die beste Ausbeute wurde mit Nanopartikeln mit Durchmessern von etwa 10 nm erzielt, die locker verteilt waren. Darüber hinaus zeigten sie, wie sich die Wirtschaftlichkeit der elektrochemischen Zelle durch eine zusätzliche chemische Reaktion an der Anode verbessern lässt, indem gleichzeitig wertvolle Ameisensäure, Wasserstoff und CO erzeugt wird.

Das Treibhausgas CO₂ kann mit elektrischer Energie elektrolytisch zu Kohlenmonoxid (CO) reduziert werden. In weiteren Schritten bilden CO und Wasserstoff (H₂) ein Synthesegas, das anschließend katalytisch weiter zu einem Brennstoff (LFG) verarbeitet wird, der hauptsächlich aus Propan (C₃H₈) und Butan (C₄H₁₀) besteht. Sofern die elektrische Energie für die Elektrolyse aus Solar- oder Windkraft gewonnen wird, kann diese Technologie als klimaneutral betrachtet werden, da CO₂ sozusagen recycelt wird. Teams des HZB arbeiten im Rahmen des GreenQUEST-Projekts gemeinsam mit Partnerinstitutionen in Südafrika an dieser Technologie. Ihr Ziel ist es, einen erschwinglichen und nachhaltigen „grünen“ Kochbrennstoff (gLFG) als sauberere Alternative zum Kochen zu entwickeln, insbesondere für die ländlichen Regionen Südafrikas, wo Brennholz nach wie vor eine wichtige Energiequelle für Haushalte darstellt.

Ein Team um Dr. Prashanth Menezes, HZB, hat nun aufgezeigt, wie sich Wirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit der elektrolytischen Reduktion von CO₂ zu CO verbessern lassen. Sie untersuchten systematisch Katalysatorschichten aus Silber-Nanopartikeln und variierten dabei sowohl die Größe der Partikel als auch deren Dichte auf einem Kohlenstoffpulvermaterial, das die Kohlenstoffelektrode bedeckt.

„Wir wussten bereits, dass zu kleine Nanopartikel die Wasserstoffentwicklung fördern, was die Ausbeute an Kohlenmonoxid verringert. Umgekehrt sind zu große Nanopartikel katalytisch weniger wirksam, wir wollten also das Optimum ermitteln“, sagt Dr. Niklas Hausmann, Ko-Autor der Studie. Im Ergebnis zeigt sich: Die beste Ausbeute wurde mit Nanopartikeln mit Durchmessern von etwa 10 nm erzielt, die locker über das Kohlenstoffmaterial verteilt waren (0,2 mg pro Quadratzentimeter Elektrode) . 

Ein zweiter Reaktionsschritt brachte eine weitere Verbesserung: Während an der Kathode Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid reduziert wird, findet an der Anode normalerweise eine Sauerstoffentwicklungsreaktion ab. Diese Sauerstoffentwicklungsreaktion kostet viel Energie, die durch Strom zugeführt werden muss, und liefert nur Sauerstoff, der keinen wirtschaftlichen Wert hat. Das Team zeigte nun, dass durch Zugabe von Aldehyden zum Elektrolyt die Sauerstoffentwicklungsreaktion durch eine Aldehyd-Oxidationsreaktion ersetzt werden kann. Dadurch sinkt der Energiebedarf des gesamten Prozesses um mehr als 30 %. Zusätzlich entstehen anstelle von Sauerstoff nutzbarer Wasserstoff und wertvolle Karbonsäuren wie Ameisensäure.

Der optimierte Katalysator auf Basis von Silbernanopartikeln wies über einen bemerkenswert langen Zeitraum von 100 Stunden eine faradaische Effizienz von fast 100 % für CO auf. Untersuchungen mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie bestätigten, dass die elektronische und chemische Struktur der aktiven Silberpartikel während des Betriebs weitgehend stabil bleibt.

„Wenn wir die CO-Produktion mit der Wasserstofferzeugung und der gleichzeitigen Bildung weiterer wertschöpfender Chemikalien wie Ameisensäure kombinieren, können wir den Gesamtwert des elektrochemischen Prozesses steigern. Das CO und der Wasserstoff können für die anschließende Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe und Chemikalien genutzt werden“, sagt Menezes.

Hinweis: Diese Arbeit wurde im Rahmen des GreenQUEST-Projekts durchgeführt, einer vom BMFTR geförderten und von HZB koordinierten deutsch-südafrikanischen Kooperation, mit dem Ziel, einen nachhaltigen Herstellungsweg für grünes Flüssiggas (gLFG) auf Basis zirkulärer Kohlenstoffnutzung zu entwickeln.