Endlich effiziente CO2-Umwandlung in Sicht
CO2 abzuscheiden ist dringend notwendig. Es dann noch in nützliche Produkte umzuwandeln wäre ein Durchbruch. Genau dieser ist Forschenden vom MIT gelungen. Sie setzten auf das elektrochemische Verfahren und entwickelten es gezielt weiter, sodass sie das CO2 in Ethylen umwandeln konnten.
Das Schema zeigt das Prinzip der Forschenden: Sie webten eine Reihe von leitfähigen Kupferdrähten (das braun-orangefarbene Rohr) durch eine sehr dünne Membran, um den Katalysator zu erreichen.
Foto: MIT
Die Treibhausgasemissionen steigen weiter, dabei versuchen viele Länder diese nach und nach zu reduzieren. Parallel arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fieberhaft an Lösungen zur Abscheidung und Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) in wertvolle Ressourcen. Bisher scheiterte es meistens daran, dass sich die Wirtschaftlichkeit solcher Verfahren nicht darstellen ließ. Ein Forscherteam am Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat nun einen vielversprechenden Ansatz entwickelt, mit dem es gelingen könnte, elektrochemische Systeme zur CO2-Konversion effizienter zu gestalten. Sie setzten dabei auf ein innovatives Elektrodendesign, dass sich besonders auf die Leistungsfähigkeit des Umwandlungsprozesses auswirken soll.
Wie lassen sich Wirtschaftswachstum und Klimaschutz vereinen?
Kripa Varanasi, Professor für Maschinenbau am MIT leitet die Forschungsgruppe. Er betont, es sei dringend an der Zeit, praktikable Methoden zur CO2-Entfernung aus verschiedenen Quellen wie Kraftwerksemissionen, Luft oder Ozeanen zu finden. Doch damit nicht genug. Das Gas müsse schließlich auch irgendwohin und am besten sei es, wenn man es anschließend sinnvoll nutzen könne. Das ist heute auch schon möglich, häufig bestehe bei der Umwandlung von CO2 in nützliche chemische Produkte die Herausforderung, diese Prozesse effizient und kostengünstig zu gestalten. In ihrer Studie konzentrierten sich die Forschenden auf die elektrochemische Umwandlung von CO2 in Ethylen. Dabei handelt es sich um eine weitverbreitete Chemikalie mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Ihr Ansatz lässt sich jedoch auch auf die Herstellung anderer hochwertiger Produkte wie Methan, Methanol oder Kohlenmonoxid übertragen. Das Ziel besteht darin, preislich mit der konventionellen Produktion von Ethylen aus Erdöl konkurrieren zu können.
Gasdiffusionselektroden: Schlüssel zur effizienten CO2-Umwandlung
Beim elektrochemischen Prozess zur Umwandlung von CO2 in Ethylen kommen eine wasserbasierte Lösung, ein Katalysatormaterial und elektrischer Strom in einer Gasdiffusionselektrode zusammen. Die Leistung dieser Elektroden hängt von zwei konkurrierenden Eigenschaften ab: Leitfähigkeit und Hydrophobie. Eine gute elektrische Leitfähigkeit minimiert Energieverluste durch Widerstandserwärmung, während eine wasserabweisende (hydrophobe) Oberfläche verhindert, dass die Elektrolytlösung durchläuft und die Reaktionen an der Elektrodenoberfläche stört. Die Optimierung beider Eigenschaften erweist sich als Herausforderung, da eine Verbesserung der Leitfähigkeit oft zu Lasten der Hydrophobie geht und umgekehrt. Varanasi und seinem Team gelang es schließlich, eine Lösung zu finden.
Die Forschenden verwendeten das hydrophobe Kunststoffmaterial PTFE. Das Polytetrafluorethylen ist besser bekannt als Teflon. Sie webten durch dieses Material leitfähige Kupferdrähte hindurch. Damit wollten sie die mangelnde Leitfähigkeit ausgleichen. Ohne diese Drähte müssten Elektronen durch eine sehr dünne Katalysatorschicht wandern, was zu einem erheblichen Spannungsabfall führt. Durch das Verweben der Kupferdrähte konnten die Forscher sowohl die Leitfähigkeit verbessern als auch die wasserabweisende Reaktion. Gleichzeitig wollten sie auch demonstrieren, welches Potenzial eine Skalierung bietet. Dafür stellten sie eine zehnmal größere Folie her und erzielten eine effektive Leistung. Grundlegende Tests zur Beziehung zwischen Leitfähigkeit und Elektrodengröße zeigten, dass die Leitfähigkeit mit zunehmender Größe erheblich abnahm. Das könnte höhere Energiekosten und unerwünschte Nebenprodukte zur Folge haben.
Optimierung des Drahtabstand für maximale CO2-Konversionseffizienz
Indem die Forschenden Kupferdrähte in das PTFE-Material einwebten, lässt sich die Elektrode in kleinere Segmente aufteilen. Sie fungieren als jeweils eigenständige Miniaturelektroden. Die hochleitfähigen Drähte dienen als „Autobahnen“ für die Elektronen und überbrücken Bereiche mit höherem Widerstand im Substrat. Mithilfe eines Modells und experimenteller Daten berechneten die Forschenden den optimalen Abstand zwischen den Drähten, um den Leitfähigkeitsverlust zu kompensieren.
In einem 75-stündigen Dauerbetriebstest zeigte sich Testelektrode sehr stabil und wies keine nennenswerte Leistungseinbußen auf. Das entwickelte System stellt die erste PTFE-basierte Elektrode dar, die den Labormaßstab von fünf Zentimetern überschreitet, ohne an Effizienz zu verlieren. Der Webprozess, bei dem die Drähte eingearbeitet werden, lässt sich problemlos in bestehende Fertigungsverfahren integrieren.
MIT-Durchbruch ebnet Weg für skalierbare CO2-Lösungen
Ein wesentlicher Vorteil des vorgestellten Ansatzes liegt in seiner Vielseitigkeit: Der mikrometrische Kupferdraht kann in jede beliebige Gasdiffusionselektrode eingenäht werden. Das macht das Verfahren sehr flexibel und ermöglicht so auch die Skalierung verschiedenster Elektrodentypen. Angesichts der großen Mengen CO2, die jährlich verarbeitet werden müssen, um dem Klimawandel entgegenzuwirken, sind skalierbare Lösungen von entscheidender Bedeutung. Den Forschenden ist es gelungen, einen wertvollen Beitrag zur Lösung des CO2-Problems. Ihre leitfähige Elektrode könnte den Weg für eine effiziente und kostengünstige Umwandlung von Kohlendioxid in nützliche Produkte ebnen. Die Arbeit wurde von einem interdisziplinären Team am MIT durchgeführt und von Shell über die MIT Energy Initiative unterstützt.
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