Um das Klima zu schützen, möchte man CO2 aus Verbrennungsprozessen für Wertstoffe zurückgewinnen. Herausfordernd ist das, weil in Abgasen neben CO2 auch andere Gase sind.
Anders als häufig unter Laborbedingungen macht CO2 in Abgasen oder der Atmosphäre nur einen geringen Anteil des Gasgemischs aus. Katalyseprozesse müssen aber auch dann funktionieren: Nur so kann man das Gas unter realistischen Bedingungen entnehmen und als Wertstoff wiederverwenden.
Konkurrenzreaktionen verhindern
„Unser Problem sind die Konkurrenzreaktionen, die in einem Katalysator ablaufen“, erklärt Wolfgang Schuhmann. „Je weniger CO2-Moleküle umzusetzen sind, desto wahrscheinlicher wird es, dass statt dem gewünschten Produkt bei der Katalyse Wasserstoff entsteht.“
Passt man den Elektrolyten an und wählt eine alkalischere Lösung, um das zu verhindern, hat man ein anderes Problem: CO2 wird zu Carbonat umgewandelt. Es steht für gewünschte Reaktionen dann nicht mehr zur Verfügung.
Bis zu einem Gehalt an CO2 von 10 bis 20 Prozent wurden schon erfolgreiche Katalyseprozesse für die CO2-Reduktion beschrieben. Was aber, wenn der Gehalt noch geringer ist?
„Wir konnten durch die Nutzung eines superaktiven Katalysators auf Nickel-Kupfer-Basis bis fünf Prozent CO2-Gehalt eine erfolgreiche Katalyse betreiben“, sagt Adib Mahbub, der Erstautor der Publikation.
Reduktion aus kleinen Anteilen
Darunter mussten die Forschenden in die Trickkiste greifen: Durch eine Anpassung der elektrischen Potenziale und des Elektrolyten ließ sich dann sogar aus einem Gasgemisch mit nur zwei Prozent CO2 eine Reduktion durchführen.
„Das bedeutet zwar einen Energieverlust, macht uns aber durch geschickte Prozessführung erstmals Quellen zugänglich, die wir bisher nicht für die CO2-Reduktion nutzen konnten“, so Wolfgang Schuhmann. „Folgende Generationen werden auf solche Konzepte aufbauen müssen, wenn sie CO2 aus der Atmosphäre entnehmen wollen, in der der CO2-Gehalt noch geringer ist.“
Die Arbeiten wurden finanziell unterstützt durch den Europäischen Forschungsrat ERC im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (CasCat 833408).
Originalpublikation:
Muhammad Adib Abdillah Mahbub, Debanjan Das, Xin Wang, Guilong Lu, Martin Muhler, Wolfgang Schuhmann: Towards the use of low-concentration CO2 sources by direct selective electrocatalytic reduction, in: Angewandte Chemie, 2024, DOI: 10.1002/anie.202419775,
