Kohlendioxid als Rohstoff für die Umwandlung von Solarstrom in wertvolle chemische Produkte

Auf dem volkswirtschaftlich wichtigen Gebiet der elektrochemischen Katalyseprozesse wurden drei neue Verbundprojekte an der TU Berlin bewilligt. Sprecher aller drei Vorhaben ist Prof. Dr. Peter Strasser, Leiter des Fachgebietes „Elektrochemische Katalyse und Materialien“ am TU-Institut für Chemie. In allen drei Projekten werden die chemischen Grundlagen und anwendungsrelevanten Aspekte der direkten elektrochemischen Umwandlung von Wasser und Kohlendioxid mit Hilfe von Elektrizität in wertvolle chemische Molekülbausteine für die chemische Industrie oder in Brennstoffe erforscht. Gefördert werden die drei Projekte an der TU Berlin mit insgesamt 2 Millionen Euro für drei Jahre.

Das erste Verbundprojekt „Electrochemical CO₂ conversion“ untersucht die kürzlich am Fachgebiet von Prof. Dr. Peter Strasser entdeckten Kohlenstoffkatalysatoren für die direkte Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenwasserstoffe (Angewandte Chemie 2015 doi: 10.1002/anie.201502099). Da bisher Gold und Silber die bevorzugten Katalysatoren für diese Reaktion waren, ist die Erkenntnis, dass kohlenstoffbasierte Materialien Kohlendioxid ebenso effizient katalysieren, von größter Bedeutung. Die Forschungen finden im Rahmen des renommierten Flagship-Programms „Climate-KIC/EnCO2re“ der Europäischen Union statt. Die TU-Chemiker arbeiten mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Ruhr-Universität Bochum und der Universität Kopenhagen sowie mit der Firma Covestro (ehemals Bayer Material Science) zusammen. Fördersumme für das TU-Fachgebiet: 400.000 Euro.

Das zweite Verbundprojekt befasst sich mit der direkten Umwandlung von Kohlendioxid zu Kohlenwasserstoffen auf nanostrukturierten Metallkatalysatoren. Dazu werden neue chemische Analysestrategien, sogenannte „operando“-Methoden, entwickelt und eingesetzt. Sie erlauben eine direkte Beobachtung der reagierenden Moleküle während der chemischen Umwandlung. Gefördert wird es vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Partner sind die Ruhr-Universität Bochum und die Freie Universität Berlin. Fördersumme für das TU-Fachgebiet: 1,2 Millionen Euro.

Das dritte Verbundprojekt beschäftigt sich mit dem molekularen Verständnis der elektrokatalytischen Prozesse an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und festem Katalysator in Photoelektrochemischen Zellen (PEZ). Im Vordergrund steht hier die elektrochemische Spaltung von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff und von anderen chemischen Zwischenprodukten. Finanziert wird es von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP1613 „Fuels Produced Regeneratively Through Light-Driven Water Splitting“. Hier kooperiert das Fachgebiet von Prof. Dr. Peter Strasser mit dem Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin-Dahlem. Fördersumme für das TU-Fachgebiet: 400.000 Euro.

Bei der Erforschung der chemischen Grundlagen und anwendungsrelevanten Aspekten der elektrochemischen Umwandlung von Wasser und Kohlendioxid mit Hilfe von Elektrizität in chemische Molekülbausteine für die chemische Industrie oder in Brennstoffe kommen zwei Verfahren in Betracht: Das eine nutzt Photovoltaik- oder Windkraftanlagen zur Umwandlung von Sonnenlicht in Strom. Dieser wird anschließend in neuartigen Vorrichtungen (Elektrolyseuren) mit einem elektrochemischen Katalysatormaterial zusammen mit Wasser und Kohlendioxid direkt zu Wasserstoff, Methan, Ethylene, Methanol, Ethanol und einer Vielzahl weiterer chemischer Produkte umgewandelt. Das andere Verfahren nutzt die Kombination aus einem Halbleiter wie Silizium und einem Elektrokatalysatormaterial in einer integrierten „Photoelektrochemischen Zelle (PEZ)“, die bei Sonnenbestrahlung ebenfalls aus Kohlendioxid und Wasser chemische Produkte oder Brennstoffe liefert. Die PEZ-Technologie ist kompakter als die Photovoltaik-Elektrolyseur-Technologie, allerdings ist die Integration von Sonnenlichtnutzung und elektrochemischer Katalyse eine große wissenschaftliche und technische Herausforderung hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der Lebensdauer der Photoelektrochemischen Zellen.

Über die atomaren Details, wie die elektrochemischen Reaktionen an der Oberfläche der Katalysatoren molekular ablaufen, ist sehr wenig bekannt. Ebenso weiß man kaum etwas, wie die atomare Zusammensetzung und Struktur des Katalysators die Art und Menge der entstehenden Produkte beeinflussen kann. Das Ziel aller drei Verbundprojekte ist deshalb, die elektrochemischen Prozesse anhand verschiedener Katalysatorklassen grundlegend zu verstehen und Methoden zu entwickeln, um die chemischen Prozesse während der Reaktion zu studieren.