Auf der Spur der verstopften Kathode Kristalle stören das elektrochemische Recycling von CO2

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Es ist nicht nur Treibhausgas, sondern auch potenzieller Rohstoff für zahlreiche Industriechemikalien: CO₂. Um das Molekül effizient elektrochemisch umzusetzen, gibt es einige Hürden zu meistern. Forscher am Helmholtz-Zentrum Berlin haben nun gezeigt, warum die Elektrolysezellen im Betrieb leicht verstopfen.

Bei der Verbrennung von Erdöl, Kohle oder Erdgas entsteht Kohlenstoffdioxid (CO₂). Dieses Gas treibt einerseits die globale Erwärmung voran, ist aber auch selbst ein Rohstoff. Technisch ist es möglich, CO₂ zu nützlichen Kohlenstoffverbindungen umzuwandeln, allerdings benötigt dieser Prozess Energie, Wasser, geeignete Elektroden sowie spezielle Katalysatoren. CO₂ lässt sich elektrochemisch zu Kohlenmonoxid, Formiat oder Methan umwandeln, aber auch zu Ethylen, Propanol, Acetat und Ethanol. Industrielle Prozesse müssen jedoch so gestaltet werden, dass sie hoch selektiv und extrem effizient sind, sodass ausschließlich die gewünschten Produkte entstehen (und nicht etwa ein Gemisch von Produkten).

Elektrokatalyse unter dem Rasterkraftmikroskop

Nanostruktur an der Fest-Flüssig-Grenze von Elektroden messen

„Durch die elektrolytische Reduktion von CO₂ zu nützlichen Kohlenwasserstoffen können wir neue Brennstoffe erzeugen, ohne nochmals fossile Ressourcen zu brauchen. Wir führen das CO₂ sozusagen in den Kreislauf zurück, wie beim Recycling“, erläutert Dr. Matthew Mayer, der am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) die Arbeitsgruppe „Elektrochemische Konversion“ leitet. Die elektrische Energie für die Elektrolyse kann dabei aus Wind oder Sonne kommen.

Problem: Kalium-Kristalle aus dem Elektrolyten

Aus der Schule kennt man womöglich noch Elektrolysezellen, die wie ein Wasserbecken aussehen – eine Weiterentwicklung davon ist die H-Zelle, die wie der Buchstabe H geformt ist. Industrietauglich sind solche Zellen jedoch nicht.

Stattdessen setzt man für das Design von industriellen Elektrolyseuren auf eine „Zero-Gap-Zelle“ mit Sandwich-Architektur aus mehreren Schichten: Rechts und links die Elektroden, die den Strom leiten und mit Katalysatoren beschichtet sind; eine kupferbasierte Gasdiffusionsschicht, die das CO₂-Gas einlässt; sowie eine Trennmembran zwischen den Zellen. Der Elektrolyt (hier an der Anode zugeführt und als Anolyt bezeichnet) besteht aus gelösten Kaliumverbindungen und ermöglicht den Ionen, zwischen den Elektroden zu wandern. Die Membran ist dafür ausgelegt, negativ geladene Ionen durchzulassen, und positiv geladene Kalium-Ionen zu blockieren.

Dennoch gelangen Kalium-Ionen aus dem Elektrolyten durch die Membran und bilden winzige Kristalle an der Kathode, die die Poren verstopfen. „Das sollte nicht passieren“, sagt Flora Haun, Doktorandin im Team von Mayer. Mit Rasterelektronenmikroskopie und weiteren Charakterisierungsmethoden haben die Forscher den Prozess der Kristallbildung an der Kathode untersucht, wobei sie systematisch die Konzentration des Elektrolyten variierten.

Die Konzentration ist entscheidend

Das Ergebnis der Studie: Je mehr Kalium der Elektrolyt enthält, desto mehr verstopft die Kathode. Doch die Lösung des Problems ist nicht einfach. Denn wenn man die Kalium-Konzentration reduziert, verschiebt sich damit auch das Reaktionsgleichgewicht: Statt dem gewünschten Ethylen entsteht dann als Produkt Kohlenmonoxid.

„Die wichtigste Beobachtung ist, dass Kationen die Anionenaustauschmembran doch durchdringen können, allerdings in einem Ausmaß, das von der Konzentration des Elektrolyten abhängt“, sagt Dr. Gumaa El Nagar, Postdoktorand im Team. Auch dass sich mit der Konzentration des Elektrolyten regeln lässt, welche Produkte sich aus dem CO₂ bilden, stellen die Forscher als ein wichtiges Ergebnis ihrer Studie heraus. „Im nächsten Schritt wollen wir mit operando- und in-situ-Messungen an Röntgenquellen herausfinden, wie die Ionenwanderung in der Zelle die chemischen Reaktionsprozesse im Detail beeinflussen“, sagt Studienleiter Mayer.

Originalpublikation: Gumaa A. El-Nagar, Flora Haun, Siddharth Gupta, Sasho Stojkovikj & Matthew T. Mayer: Unintended cation crossover influences CO2 reduction selectivity in Cu-based zero-gap electrolysers, Nature Communications 14, Article number: 2062 (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-37520-x

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