Elektrochemie verwandelt CO2 in Sauerstoff Atemluft für den Mars

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Besser als Pflanzen: ein chinesisches Forscherteam hat Sauerstoff durch Spaltung von CO₂ erzeugt. Das elektrochemische Verfahren erzielt eine hohe Ausbeute und bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten, von der Lebenserhaltung unter Wasser bis hin zur Sauerstoffversorgung auf dem Mars.

Grünpflanzen beherrschen die Kunst der Kohlenstoffneutralität: Bei der Photosynthese wandeln sie CO₂ in Sauerstoff und Glukose um. Dabei spielen Wasserstoffatome eine wichtige Rolle als „Vermittler“. Die Reaktion läuft allerdings nicht besonders effektiv ab. Der Wirkungsgrad von Nutzpflanzen liegt bei höchstens rund 2%. (Zum Vergleich: Photovoltaik-Module erreichen einen Wirkungsgrad von 20% [1]). Zudem stammt der erzeugte Sauerstoff nicht aus dem CO₂, sondern aus aufgenommenen Wasser. Eine Spaltung von CO₂ findet nicht statt und konnte bisher auch technisch nicht bei moderaten Temperaturen erreicht werden.

CO₂-Spaltung und Sauerstoff-Erzeugung

Ein Forscherteam an der chinesischen Universität Nanjing hat in Zusammenarbeit mit der Fudan-Universität in Shanghai jetzt das Ziel erreicht, CO₂ direkt in elementaren Kohlenstoff und Sauerstoff zu spalten. Statt Wasserstoff wie bei Pflanzen übernimmt Lithium die „Vermittlerrolle“.

Das Team entwickelte dazu eine elektrochemische Vorrichtung. Sie besteht aus einer Gaskathode mit einem nanoskaligem Co-Katalysator aus Ruthenium und Cobalt (RuCo) sowie einer metallischen Lithiumanode. In die Kathode eingeleitetes CO₂ durchläuft eine zweistufige elektrochemische Reduktion mit Lithium. Zunächst entsteht Lithiumcarbonat Li₂CO₃, das zu Lithiumoxid Li₂O und elementarem Kohlenstoff weiterreagiert.

Li₂O wird dann in einem elektrokatalytischen Oxidationsprozess in Lithiumionen und Sauerstoffgas O₂ umgesetzt. Unter Verwendung eines optimierten RuCo-Katalysators ließ sich eine sehr hohe O₂-Ausbeute von mehr als 98,6% erreichen, was die Effizienz der natürlichen Photosynthese deutlich übertrifft.

Anwendungsszenarien vom Mars bis in die Tiefsee

Die Tests zeigten sich nicht nur mit reinem CO₂ erfolgreich, sondern auch mit gemischten Gasen verschieden hoher CO₂-Anteile, darunter ein simuliertes Rauchgas, ein CO₂/O₂-Gemisch sowie ein simuliertes Marsgas. Die Mars-Atmosphäre besteht hauptsächlich aus CO₂, aber der Druck beträgt weniger als 1% im Vergleich zur Erdatmosphäre. Daher wurde für die simulierte Mars-Atmosphäre eine Mischung mit Argon und 1% CO₂ verwendet.

Stammt der benötigte Strom aus erneuerbarer Energie, eröffnen sich neue Wege in Richtung Kohlenstoffneutralität. Gleichzeitig handelt es sich um einen praktischen, kontrollierbaren Ansatz zur O₂-Erzeugung aus CO₂ mit einem breiten Anwendungspotenzial. Mögliche Einsatzgebiete sind

• Erforschung des Mars

• Sauerstoffversorgung von Raumanzügen

• Lebenserhaltung unter Wasser

• Atemmasken

• Luftreinigung in Innenräumen und industrieller Abfallbehandlung

„Diese Studie bietet einen neuen praktischen und kontrollierbaren Weg zur Herstellung von Sauerstoff aus CO₂“, schreiben die Studienautoren. Dies sei ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Kohlenstoffneutralität und fördere die Erforschung und Erschließung der Natur.

Originalpublikation:

Dr. Wei Li, Dr. Xiaowei Mu, Dr. Sixie Yang, Dr. Di Wang, Prof. Yonggang Wang, Prof. Haoshen Zhou, Prof. Ping He: Artificial Carbon Neutrality Through Aprotic CO2 Splitting, Angewandte Chemie, First published: 04 March 2025; DOI: 10.1002/ange.202422888

Quellenverweis:

[1] www.tb-energie.info: Mythos: Die Photosynthese der Pflanzen hat einen viel höheren Wirkungsgrad als Photovoltaik

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