CO₂ besser nutzbar machen

41467 2022 33694 fig3 html Neutronenbilder zeigen den Wassergehalt in der Zelle, der wiederum Aufschluss über ausgefallene Salze gibt. Das * markiert eine dunkle Region mit möglichen ausgefallenen Salzen. © Nat Commun ISSN 2041-1723

Neutronenbilder zeigen den Wassergehalt in der Zelle, der wiederum Aufschluss über ausgefallene Salze gibt. Das * markiert eine dunkle Region mit möglichen ausgefallenen Salzen. © Nat Commun ISSN 2041-1723

Ein Team der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg hat mit Hilfe hochauflösender Neutronenmikroskopie erstmals die unerwünschte Salzbildung in Elektroden der CO₂-Elektrolyse nachgewiesen. Das hilft dabei, den Vorgang künftig noch effizienter zu gestalten.

Die CO₂-Elektrolyse verspricht schädliches CO₂ mit Hilfe erneuerbarer Energie in nutzbare Chemikalien wie Kohlenstoffmonoxid (CO) oder Ethylenglykol umzuwandeln. Diese können wiederum als Ausgangschemikalie für Alkohole, synthetische Kraftstoffe oder Kunststoffe dienen und sind damit der Schlüssel zur „De-Fossilisierung“ der Chemieindustrie.

Ablagerungen bremsen Effizienz
In der CO₂-Elektrolyse werden analog zur Wasser-Elektrolyse, also der Wasserstoff-Herstellung, an zwei durch eine Membran getrennten Elektroden elektrochemische Reaktionen betrieben. Dadurch wandelt sich kontinuierlich CO₂ in CO um. Die Entwicklung kann sich daher auf Vorerfahrungen mit der Wasser-Elektrolyse und mit der Brennstoffzelle stützen – also der Rückverstromung des Wasserstoffs z.B. im Antrieb eines LKW. Denn die Kathoden-Elektrode ist ähnlich wie in der Brennstoffzelle als sogenannte Gas-Diffusions-Elektrode ausgelegt. Anders als in der Brennstoffzelle jedoch kann bei der CO2-Elektrolyse die Gas-Diffusion durch Salzbildung behindert werden. Diese Salze entstehen als ungewünschtes Nebenprodukt und verhindern, dass das CO₂ zum Katalysator gelangt und in CO umgewandelt wird. Diese Salzbildung war bereits bekannt, jedoch wurde sie bisher noch nicht im Betrieb in der Zelle nachgewiesen.

Dsc 5657 Beim Messen an der Radiografie-Anlage NeXT des Institut Laue-Langevin (ILL) (v.l.): Joey Disch von der Universität Freiburg, Alessandro Tengattini vom ILL, Susanne Koch von der Universität Freiburg, Michael Schulz und Yiyong Han vom Heinz Maier-Leibnitz Zentrum an der Technischen Universität München. © Serge Claisse, ILL

Beim Messen an der Radiografie-Anlage NeXT des Institut Laue-Langevin (ILL) (v.l.): Joey Disch von der Universität Freiburg, Alessandro Tengattini vom ILL, Susanne Koch von der Universität Freiburg, Michael Schulz und Yiyong Han vom Heinz Maier-Leibnitz Zentrum an der Technischen Universität München. © Serge Claisse, ILL

Neutronen machen Salze erstmals sichtbar
In einer Kooperation mit der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz der Technischen Universität München (TUM), dem CNRS und Institut Laue-Langevin in Grenoble konnte die Forschungsgruppe „Elektrochemische Energiesysteme” der Universität Freiburg, nun erstmals hochauflösend zeigen, wie die Salzbildung in der Elektrode stattfindet. Damit sind nun weitere Schritte möglich, um die Salzbildung zu unterbinden und so eine konstante hohe Effizienz zu erreichen.

Internationale Kooperation
Die im Journal Nature Communications erschienenen Studie kann als Paradebeispiel für europäische interdisziplinäre Zusammenarbeit gesehen werden: Während die elektrochemischen Experimente an der Universität Freiburg entwickelt wurden, steuerten Wissenschaftler der TUM einen Neutronen-Detektor mit Rekord-Auflösung bei. Schließlich wurden in Grenoble alle Bausteine zusammengesetzt, denn dort wurden an der ILL-Neutronenquelle die CO₂-Elektrolyse-Experimente aufgebaut und mit dem Münchner Detektor vermessen.

Originaltext: Universität Freiburg