Skalierbar und stabil: Forschende demonstrieren bislang größte CO2-Reduzierung mittels CO2-Elektrolyse
Erlangen/Toronto, 7. Oktober 2024 - Forschenden der University of Toronto und des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN) ist es gelungen, die Gasdiffusionselektroden (GDEs) für die CO2-Elektrolyse durch Mikrostrukturoptimierung zu verbessern. Ein wegweisender Schritt, um CO2-neutrale Kraftstoffe und Chemikalien mittels CO2-Elektrolyse herzustellen. Ihre Arbeit wurde kürzlich im renommierten Journal „Joule“ veröffentlicht.
Um Kraftstoffe und wichtige Chemikalien wie Kunststoffe, Düngemittel und pharmazeutische Produkte herzustellen, werden bislang fossile Brennstoffe genutzt, die bei ihrer Verbrennung CO2 freisetzen.
Ein vielversprechender Weg, um CO2-neutrale Kraftstoffe und Chemikalien aus Kohlendioxid und erneuerbarer Energie herzustellen, ist die elektrochemische CO2 -Reduktionsreaktion. Bei dieser wird Kohlendioxid in andere chemische Verbindungen umgewandelt. Werden diese verbrannt, entstehen keine zusätzlichen Emissionen, wenn das CO2 vorher mittels CO2-Abscheidung gewonnen wird.
Trotz erheblicher Fortschritte bei den CO2 -Elektrolyseuren bleibt es eine Herausforderung, eine für industrielle Anwendungen ausreichende Betriebsstabilität zu erreichen: Bislang konnte noch keine stabile Produktion von Produkten mit wenigstens zwei C-Atomen (C2+ -Produkte) wie Ethen oder Ethanol über mehr als 200 Stunden nachgewiesen werden. Die bislang stabilsten Systeme verwenden Substrate mit geringer Leitfähigkeit, die sich jedoch nicht skalieren lassen.
Die Schwierigkeiten moderner Gasdiffusionselektroden (GDE) für die CO2-Elektrolyse zu C2+-Produkten sind Salzausfällungen und die niedrige Oberflächenspannung der erzeugten flüssigen Produkte in der GDE. Diese Flüssigkeiten beginnen, die mikroporöse Schicht (MPL) zu benetzen, was die Stabilität kommerziell erhältlicher GDEs für die CO2-Elektrolyse verringert.
Forschenden der University of Toronto und des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN) ist nun es gelungen, die GDEs für die CO2-Elektrolyse durch Mikrostrukturoptimierung essenziell zu verbessern:
Das Forschungsteam entwickelte ein stabiles und skalierbares Elektrodensubstrat, das gegen das Eindringen des flüssigen Elektrolyts resistent ist und mehr als 400 Stunden ohne Leistungseinbußen funktioniert. Mit Hilfe von Transportmodellen aus der tomografischen Rekonstruktion entwickelten sie großflächige Elektroden, die mit stabiler Leistung in einer 800 cm2 Zelle und einem 8.000 cm2 Stack arbeiten. Dies ist die bislang die größte veröffentlichte Demonstration der CO2-Elektrolyse zu C2+-Produkten.
Die Ergebnisse sind wegweisend, um Chemikalien und Kraftstoffe in Zukunft CO2-neutraler zu gestalten. Die Arbeit wurde kürzlich im renommierten Journal „Joule“ veröffentlicht (zum Artikel als pdf).
Original-Publikation
O’Brien et al., Scalability and stability in CO2 reduction via tomography-guided system design, Joule (2024)
https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.07.004
Kontakt
Dr. Thomas Böhm
Head of Team "Composite Membrane Analysis and Design"
Raum 4009
Prof. Simon Thiele
Head of Research Department
Raum 5004