CO2-Recycling: Welche Rolle spielt der Elektrolyt?

Das Treibhausgas Kohlenstoff­dioxid lässt sich durch Elektrolyse zu nützlichen Kohlen­wasser­stoffen umwandeln. Das Design der Elektrolyse­zelle ist dabei entscheidend. Für industrielle Prozesse eignet sich vor allem die Zero-Gap-Zelle. Doch noch gibt es Probleme: Die Kathoden verstopfen schnell. Jetzt hat ein Team um Matthew Mayer am Helmholtz-Zentrum Berlin untersucht, woran dies liegt und wie sich dieser unerwünschte Prozess verhindern lässt.

„Durch die elektrolytische Reduktion von CO2 zu nützlichen Kohlen­wasser­stoffen können wir neue Brennstoffe erzeugen, ohne nochmals fossile Ressourcen zu brauchen. Wir führen das CO2 sozusagen in den Kreislauf zurück, wie beim Recycling“, erläutert Mayer. Die elektrische Energie für die Elektrolyse kann dabei aus Wind oder Sonne kommen.

Für das Design von industriellen Elektrolyseuren setzt man auf eine Sandwich-Architektur aus mehreren Schichten: Rechts und links die Elektroden, die den Strom leiten und mit Katalysatoren beschichtet sind, eine kupfer­basierte Gasdiffusions­schicht, die das CO2- Gas einlässt, sowie eine Trennmembran. Der Elektrolyt – hier an der Anode zugeführt und als Anolyt bezeichnet – besteht aus gelösten Kalium­verbindungen und ermöglicht den Ionen, zwischen den Elektroden zu wandern. Die Membran ist dafür ausgelegt, negativ geladene Ionen durch­zu­lassen, und positiv geladene Kalium-Ionen zu blockieren.

Dennoch gelangen Kalium-Ionen aus dem Elektrolyten durch die Membran und bilden winzige Kristalle an der Kathode, die die Poren verstopfen. Mit Raster­elektronen­mikro­skopie und weiteren Charakte­ri­sie­rungs­methoden hat das Team den Prozess der Kristall­bildung an der Kathode eingehend untersucht, wobei sie systematisch die Konzentration des Elektrolyten variierten.

Je mehr Kalium der Elektrolyt enthält, desto mehr verstopft die Kathode, zeigten die Unter­suchungen. Doch die Lösung des Problems ist nicht einfach: Denn wenn man die Kalium-Konzentration reduziert, verschiebt sich damit auch das Reaktions­gleich­gewicht: Statt dem gewünschten Ethylen entsteht Kohlen­monoxid.

Die wichtigste Beobachtung der Forscher ist, dass Kationen die Anionen­austausch­membran doch durchdringen können, allerdings in einem Ausmaß, das von der Konzentration des Elektrolyten abhängt. Mit der Konzentration des Elektrolyten wird gleichzeitig geregelt, welche Produkte sich aus dem CO2 bilden. Im nächsten Schritt will das Team nun mit operando und in situ Messungen an Röntgen­quellen heraus­finden, wie die Ionen­wanderung in der Zelle die chemischen Reaktions­prozesse im Detail beeinflussen.

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  G. A. El-Nagar et al.: Unintended cation crossover influences CO2 reduction selectivity in Cu-based zero-gap electrolysers, Nat. Commun. 14, 2062 (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-37520-x
• Electrochemical Conversion (M. Mayer), Helmholtz-Zentrum Berlin