Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin haben einen Weg gefunden, Kohlendioxid effizienter in einen Rohstoff für Brennstoffe zu verwandeln. Silbernanopartikel mit etwa zehn Nanometern Durchmesser, locker auf einer Elektrode verteilt, erzeugten 100 Stunden lang mit fast vollständiger Ausbeute Kohlenmonoxid. Eine zusätzliche Reaktion an der zweiten Elektrode senkte den Energiebedarf um mehr als 30 Prozent. Langfristig soll daraus ein grünes Kochgas für Südafrika entstehen.
Kohlendioxid ist das wichtigste Treibhausgas und entsteht bei der Verbrennung fossiler Energieträger in riesigen Mengen. Seit Jahren arbeiten Chemiker daran, das Gas nicht nur zu vermeiden, sondern als Rohstoff zu nutzen. Ein vielversprechender Weg ist die Elektrolyse: Mit elektrischem Strom lässt sich Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid umwandeln. Zusammen mit Wasserstoff ergibt Kohlenmonoxid ein sogenanntes Synthesegas, aus dem sich in weiteren Schritten Kraftstoffe und Chemikalien herstellen lassen. Stammt der Strom aus Sonne oder Wind, wird das Kohlendioxid gewissermaßen recycelt, und der Prozess kann als klimaneutral gelten. Damit sich das Verfahren lohnt, muss es allerdings effizient und wirtschaftlich sein. Entscheidend ist dabei der Katalysator an der Elektrode, der die Umwandlung beschleunigt. Silber gilt als einer der besten Katalysatoren für diese Reaktion, weil es Kohlendioxid bevorzugt zu Kohlenmonoxid umsetzt. Wie die Silberpartikel beschaffen sein müssen, damit sie optimal arbeiten, war jedoch nicht genau bekannt.
Ein internationales Team um den Chemiker Prashanth Menezes vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie hat diese Frage nun systematisch untersucht. Die Forscher veränderten sowohl die Größe der Silbernanopartikel als auch ihre Dichte auf einem leitfähigen Kohlenstoffpulver, das die Elektrode bedeckt. Beide Größen beeinflussen die Ausbeute, wie das Helmholtz-Zentrum Berlin in seiner Mitteilung vom 24. September erläutert. Mitautor Niklas Hausmann erklärt das Dilemma: Zu kleine Partikel begünstigen die Bildung von Wasserstoff und verringern so die Ausbeute an Kohlenmonoxid, zu große Partikel sind dagegen katalytisch weniger wirksam. Gesucht war also das Optimum zwischen diesen beiden Extremen. Die Studie erschien im Fachjournal Advanced Functional Materials, beteiligt waren unter anderem Forscher der Technischen Universität Berlin und der Freien Universität Berlin.
Die beste Ausbeute erzielten die Forscher mit Silberpartikeln von etwa zehn Nanometern Durchmesser, die locker über das Kohlenstoffmaterial verteilt waren, mit 0,2 Milligramm Silber pro Quadratzentimeter Elektrode. Ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter, die Partikel sind also rund zehntausendmal dünner als ein menschliches Haar. Die Silberpartikel werden zusammen mit dem leitfähigen Kohlenstoffpulver auf die Elektrode aufgesprüht. Der optimierte Katalysator erreichte über einen Zeitraum von 100 Stunden eine sogenannte faradaysche Effizienz von fast 100 Prozent für Kohlenmonoxid. Das bedeutet, dass nahezu der gesamte eingesetzte Strom in die gewünschte Reaktion floss und kaum Energie in Nebenreaktionen verloren ging. Untersuchungen mit Röntgen-Photoelektronenspektroskopie bestätigten zudem, dass die elektronische und chemische Struktur der Silberpartikel während des Betriebs weitgehend stabil blieb. Für eine technische Anwendung ist diese Beständigkeit entscheidend, weil sich Katalysatoren im Dauerbetrieb häufig verändern und an Wirkung verlieren.
Eine zweite Verbesserung betrifft die andere Seite der elektrochemischen Zelle. Während an der Kathode Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid umgewandelt wird, entsteht an der Anode normalerweise Sauerstoff. Diese Sauerstoffbildung verbraucht viel Energie und liefert ein Produkt ohne wirtschaftlichen Wert. Das Team ersetzte sie durch eine andere Reaktion: Gibt man Aldehyde, etwa Formaldehyd, in die Elektrolytlösung, werden diese an der Anode oxidiert statt Wasser zu Sauerstoff. Dadurch sinkt der Energiebedarf des gesamten Prozesses um mehr als 30 Prozent. Zugleich entstehen anstelle von Sauerstoff nutzbarer Wasserstoff und wertvolle Carbonsäuren wie Ameisensäure. Menezes betont, dass die Kombination aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und weiteren wertvollen Chemikalien den Gesamtwert des Verfahrens steigert. Kohlenmonoxid und Wasserstoff könnten anschließend für die Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe und Chemikalien genutzt werden. Eine solche gekoppelte Elektrolyse gilt als wichtiger Ansatz, um die Wirtschaftlichkeit der Kohlendioxid-Nutzung zu verbessern.
Die Arbeit entstand im Projekt GreenQUEST, einer vom Bundesforschungsministerium geförderten und vom Helmholtz-Zentrum Berlin koordinierten deutsch-südafrikanischen Kooperation. Ziel ist ein bezahlbarer und nachhaltiger Kochbrennstoff, ein grünes Flüssiggas, das vor allem in ländlichen Regionen Südafrikas das Brennholz ersetzen soll, wie auf der Projektseite von GreenQUEST beschrieben ist. Brennholz ist dort nach wie vor eine wichtige Energiequelle für Haushalte. Das Kochen über offenem Feuer belastet die Gesundheit durch Rauch in den Wohnräumen und trägt zur Abholzung bei. Aus dem Synthesegas aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff soll in einem weiteren katalytischen Schritt ein Brennstoff entstehen, der hauptsächlich aus Propan und Butan besteht, den Hauptbestandteilen herkömmlichen Flüssiggases. Weil der Kohlenstoff dafür aus Kohlendioxid stammt, würde beim Verbrennen nur freigesetzt, was zuvor gebunden wurde.
Bis zu einem marktreifen Kochgas ist der Weg allerdings noch weit. Die Studie zeigt die Leistungsfähigkeit des Katalysators im Labormaßstab über 100 Stunden. Für eine industrielle Anwendung müsste er über Tausende Stunden stabil arbeiten und in deutlich größeren Zellen funktionieren. Zudem hängt die Klimabilanz entscheidend davon ab, dass der Strom tatsächlich aus erneuerbaren Quellen stammt und das Kohlendioxid aus einer geeigneten Quelle kommt. Auch die weiteren Schritte vom Synthesegas zum Flüssiggas müssen effizient gestaltet werden, damit der Brennstoff am Ende bezahlbar ist. Die Ergebnisse aus Berlin liefern jedoch einen wichtigen Baustein, weil sie zeigen, wie sich mit einfachen Mitteln die Ausbeute steigern und der Energiebedarf senken lässt. Silber ist zwar ein Edelmetall, wird aber in so geringen Mengen eingesetzt, dass die Kosten überschaubar bleiben. Die Forscher wollen das Verfahren nun weiter optimieren und mit den südafrikanischen Partnern in größere Anlagen überführen.
Advanced Functional Materials, Decoupling the Size and Loading Effects in Silver Nanoparticles for Efficient Paired Carbon Dioxide and Formaldehyde Electrolysis; doi:10.1002/adfm.78365