{"id":144523,"date":"2024-05-27T07:35:00","date_gmt":"2024-05-27T05:35:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=144523"},"modified":"2024-05-21T12:40:40","modified_gmt":"2024-05-21T10:40:40","slug":"co2-als-nachhaltiger-rohstoff","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/co2-als-nachhaltiger-rohstoff\/","title":{"rendered":"CO2 als nachhaltiger Rohstoff"},"content":{"rendered":"\n\n\n

Wissenschaftler*innen der TU Berlin haben eine Kombination aus zwei Elektrolysezellen vorgestellt, die Kohlendioxid zusammen mit Wasser unter Zuhilfenahme von Strom direkt in Grundchemikalien f\u00fcr die chemische Industrie umwandeln kann. Dabei wird bei der ersten Elektrolyse aus Kohlendioxid zun\u00e4chst Kohlenmonoxid hergestellt, was dann in der zweiten Elektrolysezelle zusammen mit Wasser Kohlenwasserstoffe bildet. Im Gegensatz zu den sonst \u00fcblicherweise verwendeten teuren Metallkatalysatoren wird hier eine mit wenigen Nickelatomen und Stickstoff dotierte Kohlenstoffelektrode genutzt, die nur einen Metallanteil von unter einem Prozent erfordert. Zus\u00e4tzlich wurde von den Forscher*innen ein Diagnosesystem entwickelt, das den Zustand des Tandem-Elektrolyseurs w\u00e4hrend des Betriebs \u00fcberwacht und so zu einer l\u00e4ngeren Lebensdauer und einem besseren Verst\u00e4ndnis der chemischen Vorg\u00e4nge in den Zellen beitr\u00e4gt.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Kohlendioxid aus der Luft oder direkt aus Abgasen zu entnehmen und mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Energiequellen in wertvolle Chemikalien zu verwandeln \u2013 das erscheint wie der Idealweg zur Bek\u00e4mpfung der Klimakrise. Der Schl\u00fcssel dazu ist die Elektrolyse. Sie kann mit Hilfe von Wasser (H2<\/sub>O) und Strom Kohlendioxid (CO2<\/sub>) zu praktisch reinem Kohlenmonoxid (CO) reduzieren, wobei gleichzeitig Sauerstoff (O2<\/sub>) entsteht. Kohlenmonoxid und zus\u00e4tzliches Wasser k\u00f6nnen dann in einem zweiten Schritt zu n\u00fctzlichen Kohlenwasserstoffen wie etwa Ethylen reagieren, die aus l\u00e4ngeren Ketten von Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen.<\/p>\n\n\n

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\"Reaktionsschema
Reaktionsschema des Tandem-Elektrolyseurs\u00a0\u00a9 TU Berlin<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Bessere Ausbeute und Energieeffizienz mit Tandem-Elektrolysezellen<\/h3>\n\n\n\n
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\u201eIm Fall der Elektrolyse von Wasser und CO2<\/sub>\u00a0zu CO und etwas Wasserstoff als Nebenprodukt ist der Anteil von CO an der insgesamt umgesetzten Stoffmenge viel h\u00f6her als bei alternativen thermischen Prozessen, die gr\u00fcnen Wasserstoff und CO2<\/sub>\u00a0verwenden, um daraus bei Temperaturen um 800 Grad CO und Wasser herzustellen\u201c, beschreibt Prof. Dr. Peter Strasser<\/strong>, Leiter des Fachgebiets \u201eElectrochemical Catalysis, Energy and Materials Sciences\u201c an der TU Berlin<\/strong>, die Vorteile der Methode. <\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

F\u00fcr den zweiten Schritt, die Produktion von Grundchemikalien f\u00fcr die chemische Industrie aus CO und Wasser, gebe es mehrere konkurrierende Verfahren. <\/p>\n\n\n\n

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\u201eWenn dieser Schritt auch elektrochemisch durchgef\u00fchrt wird, geschieht dies bisher oft in derselben Elektrolysezelle, in der auch das CO produziert wird. Damit hier alle erforderlichen Prozesse nacheinander ablaufen k\u00f6nnen, m\u00fcssen nat\u00fcrlich beim Katalysator und bei den chemischen Bedingungen Kompromisse gemacht werden, was zu suboptimalen Ergebnissen f\u00fchrt. Wir benutzen daher zwei Zellen als Tandem, bei denen die eine CO liefert, das dann in der zweiten Zelle direkt zu wertvollen Kohlenwasserstoffen umgesetzt wird.\u201c <\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Dabei entstehen je nach Katalysatorformulierung im zweiten Schritt unter anderem reaktionsfreudige Kohlenwasserstoffe wie Ethylen, Propylen und etwas Acetylen, aber auch Fl\u00fcssigverbindungen wie Methanol, Ethanol und Propanol oder Acetat.<\/p>\n\n\n\n

Weniger Bedarf an Metall durch neue Kohlenstoff-Elektrode<\/h3>\n\n\n\n

Auch bei der Elektrode, die CO2<\/sub>\u00a0in CO umwandelt, gehen Peter Strasser und sein Team neue Wege. Normalerweise wird hier als Material Silber als Katalysator f\u00fcr die chemischen Reaktionen verwendet. <\/p>\n\n\n\n

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\u201eDas ist nicht nur selten und teuer, sondern kann auch korrodieren und Filme auf der Oberfl\u00e4che bilden, die die Funktion als Katalysator beeintr\u00e4chtigen\u201c, sagt Doktorand Sven Br\u00fcckner, Erstautor der Ver\u00f6ffentlichung<\/strong>. \u201eWir verwenden deshalb eine Kohlenstoff-Elektrode, in die an manchen Stellen Atome der Elemente Nickel und Stickstoff als Katalysator eingebaut wurden.\u201c <\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Weil der verwendete Kohlenstoff por\u00f6s ist und damit eine gro\u00dfe Oberfl\u00e4che hat, und die mit Hilfe eines speziellen Verfahrens eingebauten Atome selber nur an der Oberfl\u00e4che sitzen, kann der Anteil des ben\u00f6tigten Nickels extrem klein gehalten werden \u2013 er betr\u00e4gt unter einem Prozent des Gesamtgewichts.<\/p>\n\n\n\n

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\u201eWeil solche Elektroden erst seit ein paar Jahren existieren und immer auf den jeweiligen Anwendungszweck hin optimiert werden m\u00fcssen, ist ihre Lebensdauer und auch die maximal erreichbare Katalysatorleistung noch Gegenstand der Forschung\u201c, berichtet Br\u00fcckner<\/strong>.<\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Weil die Elektrode unter h\u00f6heren Temperaturen als der Betriebstemperatur hergestellt wird und auch weitere chemische Bedingungen w\u00e4hrend des Betriebs milder sind als bei der Herstellung, ist er aber optimistisch, dass hier bald Erfolge erzielt werden k\u00f6nnen. Die bisherige Stabilit\u00e4t \u00fcber einige hundert Stunden hofft das Team deutlich zu verl\u00e4ngern.<\/p>\n\n\n

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CO2 aus der Luft oder direkt aus Abgasen zu entnehmen und mit Hilfe von gr\u00fcnem Strom in wertvolle Chemikalien umzuwandeln, k\u00f6nnte ein entscheidender Beitrag zur Bek\u00e4mpfung der Klimakrise werden. Der Schl\u00fcssel dazu ist die Elektrolyse.\u00a0\u00a9 TU Berlin<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Diagnose-Werkzeug f\u00fcr optimierte Forschung und l\u00e4ngere Lebensdauer<\/h3>\n\n\n\n

Auch andere Betriebsparameter der Tandem-Zelle m\u00fcssen noch optimiert werden. <\/p>\n\n\n\n

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\u201eDas Verh\u00e4ltnis von Kohlenmonoxid und dem Nebenprodukt Wasserstoff in der ersten Zelle h\u00e4ngt vom pH-Wert des Elektrolyten ab\u201c, erkl\u00e4rt Sven Br\u00fcckner<\/strong>. <\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Weil das Verfahren eine m\u00f6glichst gro\u00dfe Menge an CO als Baustein f\u00fcr Kohlenwasserstoffe liefern soll, wird die CO2<\/sub>-Elektrolyse unter basischen Bedingungen durchgef\u00fchrt, die die Bildung von Kohlenmonoxid beg\u00fcnstigen. <\/p>\n\n\n\n

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\u201eDas f\u00fchrt jedoch dazu, dass die OH-Ionen im basischen Elektrolyten zusammen mit dem CO2<\/sub>\u00a0zu Karbonat reagieren, das sich ablagern und so die Zelle sch\u00e4digen kann.\u201c <\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Hier komme es also auf einen optimalen Kompromiss zwischen den verschiedenen Stellschrauben bei der Elektrolyse an, so Br\u00fcckner.<\/p>\n\n\n\n

Um den zu finden, hat das Forscherteam einen speziellen Koeffizienten entwickelt, mit dem man die optimalen Prozessbedingungen leichter ermitteln kann. Er enth\u00e4lt in einer mathematischen Formel die Produktionsraten von CO und Wasserstoff sowie die am Ausgang der ersten Zelle immer noch vorhandene Menge an CO2<\/sub>. <\/p>\n\n\n\n

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\u201eWir messen die Konzentrationen dieser Stoffe in einem Gaschromatographen. Zus\u00e4tzlich bestimmen wir auch die Konzentration des Gases Stickstoff, das wir in einer definierten Menge zugeben\u201c, sagt Br\u00fcckner<\/strong>. <\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Mit dieser \u201eKalibrierung\u201c lasse sich die Gesamt-Flussrate durch die Zelle bestimmen. Weil man all diese Werte st\u00e4ndig w\u00e4hrend des Betriebs der Zelle erheben kann, kann man die Auswirkungen von \u00c4nderungen der Betriebsparameter sofort feststellen. Gleichzeitig dienen die Messwerte auch als Fr\u00fchwarnsystem, wann ein Versagen der Zelle droht und Gegensteuern erforderlich ist.<\/p>\n\n\n\n

Nachhaltige Kohlenstoff\u00f6konomie mit CO2 als Rohstoff<\/h3>\n\n\n\n
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\u201eZiel dieser Forschungen ist letztlich die Etablierung einer zirkul\u00e4ren, nachhaltigen Kohlenstoff\u00f6konomie\u201c, erkl\u00e4rt Peter Strasser<\/strong>. \u201eEin gro\u00dfer Vorteil unseres Verfahren ist dabei auch, dass wir f\u00fcr die direkte Elektrolyse von CO2<\/sub>\u00a0zu n\u00fctzlichen Kohlenwasserstoffen unter Verwendung von Strom und Wasser keinen zus\u00e4tzlichen Wasserstoff ben\u00f6tigen.\u201c <\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Anders sei dies bei herk\u00f6mmlichen nachhaltigen Verfahren, die entweder schon zur Umwandlung von CO2<\/sub>\u00a0in CO oder aber zur Herstellung der Kohlenwasserstoffe aus CO Wasserstoff verwenden, der mit zus\u00e4tzlicher Energie hergestellt, gespeichert und gegebenenfalls auch noch transportiert werden muss. <\/p>\n\n\n\n

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\u201eBasischemikalien, die auf CO2<\/sub>\u00a0aus der Luft statt auf Erd\u00f6l als Kohlenstoffquelle zur\u00fcckgreifen, k\u00f6nnen unter bestimmten Bedingungen den Kohlendioxidgehalt der Atmosph\u00e4re tats\u00e4chlich reduzieren. Gr\u00fcne e-Kraftstoffe aus CO2<\/sub>\u00a0haben nach ihrer Verbrennung zumindest eine ausgeglichene Kohlenstoffbilanz\u201c, res\u00fcmiert Strasser<\/strong>.<\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Weiterf\u00fchrende Informationen<\/h3>\n\n\n\n