Pulsmethode zur langzeitstabilen und selektiven CO2-Elektrolyse zu Ethen an Kupfer-basierten Gasdiffusionselektroden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ralf Moos; Professorin Dr.-Ing. Christina Roth
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529993860

Die elektrochemische Reduktion anthropogenen Kohlendioxids (CO2) zu Wertstoffen stellt eine vielversprechende Technologie dar, um die drohende Klimaerwärmung zu begrenzen. In dieser sog. CO2RR wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien eingesetzt. CO2RR trägt damit auch zur Stabilisierung des Versorgungsnetzes bei. Als Elektrokatalysator für die Reaktion wird insbesondere Kupfer verwendet, da es eine Sonderrolle einnimmt und auch C-C Bindungen zu knüpfen vermag. Besonders wirtschaftlich wäre eine Reaktion zu Ethen, da dieses eine reaktive Doppelbindung besitzt und vielfältig als industrielle Basischemikalie eingesetzt werden kann. Nachteilig ist jedoch einerseits die geringe Selektivität des Kupfers, die dazu führt, dass eine Vielzahl von Produkten gebildet werden, die erst aufgetrennt werden müssen. Andererseits auch die nur geringe Langzeitstabilität von Katalysator und Prozess, die sich in einer signifikanten Abnahme der Ausbeute an Kohlenwasserstoffen zugunsten der parasitären Wasserstoffentwicklung äußert. Die Anwendung der Methode der gepulsten Potentiale, wie sie auch bereits in eigenen Vorarbeiten zum Einsatz kam, führt zu einer deutlichen Verbesserung von Stabilität und Selektivität der Ethen-Erzeugung. Als Arbeitshypothese wird angenommen, dass die Pulsmethode die Konzentrationsgradienten im Reaktor verringern, die Vergiftung des Katalysators reduzieren und/oder periodisch neue Katalysatoroberfläche ausbilden kann. Welche dieser Hypothesen zutrifft, lässt sich jedoch nur durch die Kopplung der CO2RR mit Operando-Analytik herausfinden. Dieser Herausforderung wollen wir uns im vorliegenden bilateralen Projekt stellen, indem wir die komplementäre Expertise beider Pis im Bereich elektrochemische Verfahrenstechnik, neue Materialien und innovative Herstellungs- und Operando-Charakterisierungsmethoden kombinieren, um den Wirkmechanismus der Pulsmethode an Gasdiffusionselektroden (GDE) in Flusszellen unter realitätsnahen Betriebsbedingungen zu evaluieren. Dies wird es uns erlauben, im Licht der neuen anwendungsnahen Erkenntnisse wissensbasierte Vorschläge hinsichtlich einer optimalen Gestaltung der GDE und Betriebsweise der CO2RR-Elektrolysezellen in zukünftigen Anwendungen zu machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen