Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität um, Chemieingenieure entwickelten die Technik weiter und erzeugen Chemikalien aus Strom und CO2.
Adnan Ozden, Joshua Wicks und F. Pelayo García de Arquer (v.l.n.r.) mit dem Elektrolyseur, der CO2 zehnmal schneller in wertvolle Chemikalien umwandelt als frühere Versionen.Foto: Daria Perevezentsev/Universität Toronto

Brennstoffzellen „rückwärts“ produzieren chemische Rohstoffe aus CO2

Von 12. Februar 2020 Aktualisiert: 12. Februar 2020 14:34
Brennstoffzellen verwandeln Chemikalien in Elektrizität. Jetzt haben Ingenieure der Universität Toronto die Technologie so angepasst, dass es das Gegenteil bewirkt: Sie nutzen Elektrizität, um aus CO2 wertvolle Chemikalien herzustellen.

„Selbst wenn wir Öl nicht mehr zur Energiegewinnung nutzen, brauchen wir immer noch all diese Rohstoffe“, sagte García de Arquer. Mit einem Team unter Leitung von Professor David Sinton von der Universität Toronto (UT), Kanada, entwickelte er eine Brennstoffzelle, die „rückwärts“ funktioniert und überschüssiges CO2 in chemische Rohstoffe umwandelt.

Weiter sagte De Arquer: „Wenn wir diese Stoffe mit CO2-Abfall und erneuerbarer Energie herstellen können, können wir einen großen Einfluss auf die Dekarbonisierung unserer Wirtschaft haben“.

Umkehr eines Jahrzehnte alten Prozesses

„Jahrzehntelang haben talentierte Forscher Systeme entwickelt, die Elektrizität in Wasserstoff und wieder zurück umwandeln“, sagt UT-Professor Ted Sargent, einer der Hauptautoren der in Science veröffentlichten Studie. „Unsere Innovation baut auf diesem Erbe auf. Aber durch die Verwendung von Molekülen auf Kohlenstoffbasis können wir uns direkt in die bestehende Kohlenwasserstoff-Infrastruktur einklinken“.

In klassischen Brennstoffzellen kommen Wasserstoff und Sauerstoff auf der Oberfläche eines Katalysators zusammen. Bei der chemischen Reaktion werden Elektronen freigesetzt, die von speziellen Materialien abgeleitet und in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden.

Das Gegenteil von Brennstoffzellen sind Elektrolyseure, in denen Elektrizität eine chemische Reaktion auslöst. Bisher wurden derartige Geräte vor allem zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff genutzt.

Das Team entwickelte die Technik weiter, sodass CO2 in andere Kohlenstoff-basierte Moleküle, wie beispielsweise Ethylen, umgewandelt werden können. Die Prinzipien seien zudem auf die Synthese anderer wertvoller Chemikalien, einschließlich Ethanol, anwendbar, ergänzt Doktorand Joshua Wicks.

Elektrolyse von Ethylen bisher nicht wirtschaftlich

„Ethylen ist eine der am häufigsten produzierten Chemikalien der Welt“, sagt Wicks. „Es wird für die Herstellung von Frostschutzmitteln bis Gartenmöbeln verwendet. Heute wird es aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Wenn wir es stattdessen durch die Aufwertung von CO2-Abfall herstellen könnten, gäbe es einen neuen wirtschaftlichen Anreiz für die Abscheidung von Kohlenstoff.“

Die heutigen Elektrolyseure produzieren Ethylen noch nicht in einem Umfang, der groß genug ist, um mit dem aus fossilen Brennstoffen gewonnenen Ethylen zu konkurrieren. Dabei liegt ein Teil der Herausforderung in der einzigartigen Natur der chemischen Reaktion selbst.

„Die Reaktion erfordert drei Dinge: CO2, das ein Gas ist; Wasserstoffionen, die aus flüssigem Wasser stammen; und Elektronen, die durch einen Metallkatalysator übertragen werden“, sagt der Doktorand Adnan Ozden. „Diese drei verschiedenen Phasen – insbesondere das CO2 – schnell zusammenzubringen, ist eine Herausforderung, und das hat die Geschwindigkeit der Reaktion begrenzt.“

Bei ihrem neuesten Elektrolyseur-Design verwendete das Team eine einzigartige Anordnung von Materialien, um die Herausforderungen beim Zusammenbringen der Ausgangsstoffe zu bewältigen. Die Elektronen liefern einen Katalysator auf Kupferbasis. Doch anstelle eines flachen Blechs aus Metall besteht der Katalysator aus kleinen Partikeln. Diese sind wiederum in eine Schicht aus einem Ionen-leitenden Material namens Nafion eingebettet.

Umgekehrte Brennstoffzellen noch nicht Industrie-tauglich

„In unseren Experimenten haben wir entdeckt, dass eine bestimmte Anordnung von Nafion den Transport von Gasen wie CO2 erleichtern kann“, sagt de Arquer. „Unser Design ermöglicht es den Gasreaktanten, die Katalysatoroberfläche schnell genug und ausreichend verteilt zu erreichen, um die Reaktionsgeschwindigkeit deutlich zu erhöhen.“

Da die Reaktion nicht mehr dadurch begrenzt ist, wie schnell die drei Stoffe zusammenkommen können, war das Team in der Lage, CO2 zehnmal schneller in Ethylen und andere Produkte umzuwandeln als zuvor. Dies gelang ihnen, ohne die Gesamteffizienz des Reaktors zu verringern, sodass mehr Produkte bei ungefähr gleichen Kapitalkosten entstehen.

„Wir können die Elektronen zehnmal schneller transportieren. Das ist großartig, aber wir können das System nur etwa zehn Stunden lang betreiben. Danach bricht die Katalysatorschicht zusammen“, sagt Cao-Thang Dinh, Professor für Chemieingenieurwesen an der Queen’s University. „Das ist noch weit entfernt von dem Ziel von Tausenden von Stunden, die die industrielle Anwendung verlangt.“

(Mit Material der UT)



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