Forschende der Abteilung Interface Science des Fritz-Haber-Instituts (FHI) haben untersucht, welchen Einfluss die Konzentration von Kaliumbicarbonat (KHCO₃) auf die elektrochemische CO₂-Umwandlung an Kupfer hat. Ziel ist es, die Abscheidung von CO₂ und dessen anschließende Weiterverarbeitung zu chemischen Grundstoffen direkt miteinander zu koppeln.
Bicarbonat als Ausgangsstoff für die CO₂-Aufbereitung
Bei der alkalischen CO₂-Abscheidung wird Kohlendioxid häufig als (Bi)Carbonat in alkalischen wässrigen Lösungen gespeichert. Statt das CO₂ anschließend wieder als Gas freizusetzen, zu komprimieren und zu transportieren, könnte es direkt aus diesen Lösungen elektrochemisch weiterverarbeitet werden. Während Laborversuche häufig mit hochkonzentrierten Elektrolyten von 2 bis 3 M KHCO₃ durchgeführt werden, entstehen bei der CO₂-Abscheidung in der Praxis deutlich verdünntere Lösungen.
Moderate Konzentration erzielt höchste Leistung
Die Untersuchungen zeigten eine vulkanförmige Abhängigkeit zwischen Bicarbonat-Konzentration und Elektrolyseleistung. Bei einer Stromdichte von 400 mA/cm² erzielten die Forschenden mit 0,5 M KHCO₃ die höchste Leistung. Die Faraday-Effizienz für die aus dem in situ gebildeten CO₂ erzeugten Reduktionsprodukte lag bei etwa 40 %. Die partielle Stromdichte von rund 160 mA/cm² war damit viermal höher als bei einer Konzentration von 3 M KHCO₃.
Bei niedrigen Konzentrationen steht nicht genügend Bicarbonat zur Verfügung, um ausreichend CO₂ für die Reaktion bereitzustellen. Bei hohen Konzentrationen konkurrieren dagegen Bicarbonat- und Carbonat-Spezies mit *CO-Zwischenprodukten (an der Katalysatoroberfläche gebundenem Kohlenmonoxid) um aktive Zentren und beeinträchtigen dadurch die weitere Reaktion.
Reaktion direkt beobachten
Um die Vorgänge an der Grenzfläche zwischen Kupferkatalysator und Elektrolyt zu untersuchen, entwickelte das Team eine Zero-Gap-Operando-Raman-Zelle vom Typ Membrane Electrode Assembly (MEA). Die Raman-Zelle weist die typische Membran-Elektroden-Konfiguration auf, ermöglicht aber gleichzeitig die direkte Beobachtung der Cu/Elektrolyt-Grenzfläche (Cu, Kupfer). Damit konnten die Forschenden während der Elektrolyse unter anderem Bicarbonat- und Carbonat-Spezies, *CO-Zwischenprodukte und den lokalen pH-Wert verfolgen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Bicarbonat-Konzentration nicht möglichst hoch gewählt, sondern an Stromdichte und Betriebsbedingungen des Elektrolyseurs angepasst werden sollte. Damit liefert die Studie eine Grundlage für die direkte Kopplung der alkalischen CO₂-Abscheidung mit der elektrochemischen Weiterverarbeitung zu chemischen Produkten.
