PhasKat - Phasenreine kohlenwasserstoffselektive Elektrokatalysatoren und Anpassung der Betriebsbedingungen in der elektrochemischen CO₂-Reduktion

Kohlenwasserstoffselektive Elektrokatalysatoren

Die Materialbasis der Elektrokatalysatoren zum Aufbau der Elektroden in Elektrolyseuren bestimmt die Produktzusammensetzung bei der direkten einstufigen elektrochemischen Reduktion von CO₂. In PhasKat wird ein grundlegendes strukturelles Verständnis kupferbasierter Elektrokatalysatoren auf der Basis des seltenen Kupferminerals Paramelaconit (Cu₄O₃) erarbeitet. Im Mineral befinden sich ein- und zweiwertige Kupferatome an zwei verschiedenen Stellen im Kristall. Diese lassen sich chemisch auch durch andere katalytisch aktive Metalle, wie beispielsweise Silber oder Eisen ersetzen, ohne dass sich die räumliche Struktur der Anordnung verändert. Die Forscher wollen aus den Forschungsarbeiten die Designregeln für langzeitstabile und hocheffiziente Elektrokatalysatoren ableiten.

Vom Elektrokatalysator zur Elektrode

In einer Elektrode wird der Elektrokatalysator mit seiner Umgebung in vielfältiger Weise in Kontakt gebracht. Für den gasförmigen Ausgangsstoff CO₂ werden die Elektroden porös gestaltet. Eine ionenleitfähiger, insbesondere anionenleitfähiger Binder sorgt für die innige Ankopplung an den wasserbasierten Elektrolyten. Ein elektrischer Flächenleiter wie beispielsweise ein Kohlenstoffflies oder ein Metallnetz verbindet schließlich den Katalysator mit der Stromquelle. Diese Kathode wird mit einer Anode zu einem Elektrolyseur verschaltet, der das klimaschädliche CO₂ direkt und einstufig zu den Zielmolekülen Ethylen und Ethanol reduziert und damit einer Wiedernutzung zuführen kann. Im Fokus stehen industriell umsetzbare, langzeitstabile und effiziente Lösungsansätze.  Die Beteiligung zweier Großunternehmen ermöglicht eine schnelle Umsetzung in die industrielle Anwendung.

Verbund aus Industrie und Forschung

In PhasKat sind zwei Institute des Forschungszentrums Jülich, zwei Einheiten der Evonik AG und die Siemens Gas and Power GmbH & Co.KG beteiligt.  Das Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9) des Forschungszentrums Jülich entwickelt Methoden zur Elektrodencharakterisierung mittels Impedanzspektroskopie. Das Helmholtz Institut Erlangen – Nürnberg (HI-ERN, IEK-11) des Forschungszentrums Jülich beschäftigt sich mit Elektroden­präparations­methoden mittels Sprühtechnik, um Elektrokatalysator und anionenleitfähige Binder effizient zu koppeln. Die Evonik Resource Efficiency GmbH ist Hersteller von Chemiekatalysatoren. Im Projekt stellt Evonik die Katalysatoren bereit und bereitet eine Skalierung in den Produktionsmaßstab vor. Die Evonik Creavis GmbH erforscht und synthetisiert anionenleitfähige Bindermaterialien. Diese werden in Leitfähigkeit, Benetzbarkeit strukturell den Elektrokatalysatoren angepasst. Die Siemens Gas and Power GmbH & Co.KG verbindet die Komponenten Elektrokatalysator und ionenleitfähige Binder zu der CO₂ reduzierenden Kathode. Anschließend entwickelt Siemens dazu maßgeschneiderte Elektrolyseure und deren Betriebsparameter. Die Leistungsfähigkeit wird im Hinblick auf Produktselektivität, Stabilität und Effizienz bewertet. Elektrolyseeinheiten zur Wasserstoffherstellung sind schon heute ein Teil des Produktportfolios der Siemens Gas and Power GmbH & Co.KG.

PhasKat-Projektblatt zum Download