Entwicklung von Katalysatoren für die Elektroreduktion von CO₂ (CO₂RR) zu kohlenstoffreichen Produkten

Obwohl die meisten Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der elektrochemischen CO₂-Reduktion (CO₂RR) die Produktion chemischer Brennstoffe oder benötigter chemischer Rohstoffverbindungen befürwortet haben, ist unser Ziel, CO₂RR als negative Emissionstechnologie (CO₂RR-NET) einzusetzen.

Im Rahmen des NETPEC-Projekts wird das HZB effiziente Katalysatoren für die elektrochemische Umwandlung von CO₂ in feste oder flüssige kohlenstoffreiche Produkte entwickeln und bereitstellen, die umweltschonend und dauerhaft in geologischen Formationen entsorgt werden können. Als hierfür besonders geeignete Produkte werden feste Kohle und Oxalate angesehen. Die Hochskalierung und Kombination dieser Katalysatoren mit optimierten Perowskit-Photovoltaikgeräten unserer Projektpartner führt zu einer solarbetriebenen CO₂RR-NET-Technologie, die das Gesamtziel des NETPEC-Projekts ist.

Während feste Katalysatoren für die elektrochemische CO₂RR-Umwandlung von bekannter Bedeutung sind, sind sie nicht geeignet, wenn die Herstellung von festen Carbon Flakes aus CO₂ das Hauptziel ist, da ihre feste Oberfläche einfach und schnell durch Kohlenstoffschichten in deaktiviert werden. Dieser Prozess ist als Verkoksung bekannt. Flüssigmetalllegierungen (LM) versprechen jedoch verkokungsbeständige Eigenschaften, da feste Produkte nicht dauerhaft an der Flüssigkeitsoberfläche haften können. Daher konzentriert sich die Projektarbeit am HZB auf LM-Elektroden auf Basis von GaInSn. Die Anwendung von LM-Katalysatoren für CO₂ RR steht vor mehreren dringenden Herausforderungen: Das CO₂RR-inaktive LM muss durch Legieren anderer Metalle aktiviert werden, die Grundlagen hinter elektrochemischen Reaktionen an LM/Elektrolyt-Grenzflächen müssen verstanden und die entscheidenden Deskriptoren für Aktivität und Selektivität, die für die Entwicklung von Katalysatoren der nächsten Generation benötigt werden, müssen identifiziert werden. Darüber hinaus ist die Handhabung von LM-Katalysatoren völlig anders als bei Festelektroden. Es müssen Techniken entwickelt werden, die ein Upscaling von LM-Elektroden für Geräte ermöglichen.

Ein Schlüsselparameter für die Leistungsfähigkeit der CO₂RR-NET-Geräte ist die Solar-to-Carbon-Effizienz, die am HZB durch Bestrahlung mit kalibrierten Solarsimulatoren und quantitative Bestimmung der gebildeten Produkte bestimmt wird. Dazu nutzt das HZB Massenspektrometer, Ionen- und Gaschromatographen sowie NMR-Analytik.