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Forschung

Vom Klimakiller zur Plastiktüte

Freitag, 15. November 2013

Neue elektrochemische Technologie wandelt Kohlendioxid und Wasser direkt in hochwertiges Ethylen

Peter Strasser bei Untersuchungen mithilfe der Elektrolyseanlage
Lupe [1]

Die großen Mengen an Kohlendioxid (CO2), die bei der Verbrennung fossiler Energieträger in Fahrzeugen oder Kraftwerken in die Atmosphäre entweichen, haben es als klimaverändernden Stoff stark in Verruf gebracht. Fieberhaft wird nach effizienten und preiswerten Möglichkeiten gesucht, das Gas unschädlich zu machen, zum Beispiel in unterirdischen Druckspeichern oder auch durch die Umsetzung mit separatem, teuer erzeugtem Wasserstoffgas. Nun bietet eine neuartige elektrokatalytische Technologie, die am TU-Fachgebiet Technische Elektrochemie in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Peter Strasser entwickelt wird, eine interessante Alternative.

„Nur die Elektrokatalyse macht es möglich: Sprudelwasser und Strom wandeln sich bei Raumtemperatur in wertvolle chemische Zwischenprodukte und Brennstoffe“, erklärt Peter Strasser. Im Mittelpunkt der neuartigen elektrochemischen Technologie stehen nanoskalige Metallkatalysatoren, die das klimaschädliche CO2 in einem Schritt in den wertvollen Polymerbaustein Ethylen, in Methan oder chemisches Synthesegas umwandeln können.

„Führt man eine Elektrolyse durch, das heißt, legt man eine elektrische Spannung zwischen ein Stück Kupfer und einen Grafitstab, die beide mit CO2-gesättigtem Wasser in Kontakt stehen, reagiert das Kohlendioxid mit Wasser aufgrund der Präsenz des Kupferkatalysators auf besondere Weise: Es wandelt sich zu dem energiereichen Brennstoff Methan – ein Hauptbestandteil des Erdgases – sowie zu dem chemisch wertvollen Grundstoff Ethylen, aus dem jährlich Millionen Tonnen des Kunststoffs Polyethylen produziert werden“, erklärt Peter Strasser die Methode. Gleichzeitig, so der Chemiker, bildeten sich bei diesem elektrolytischen Prozess auch Gemische von Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff. Die elektrische Energie des Stroms werde in chemisch gespeicherte Energie umgewandelt, und zwar in Form von gasförmigen Methan-, Ethylen-, Kohlenmonoxid- und Wasserstoffmolekülen.

„Methan und Ethylen werden nur im stromgetriebenen elektrolytischen Prozess gebildet“, betont Peter Strasser. „Versucht man dagegen CO2 und Wasser bei hohen Temperaturen als Gasgemisch auf Kupfer reagieren zu lassen, erhält man typischerweise keine Kohlenwasserstoffe, sondern lediglich Methanol. Das macht die Elektrolyse so besonders.“

Reine Kupferkatalysatoren zeigen eine ganz charakteristische Mengenverteilung der vier gasförmigen Hauptprodukte Methan, Ethylen, CO und Wasserstoff. Unter typischen Bedingungen erhält man aus der eingesetzten elektrischen Strommenge etwa zur Hälfte Methan, ein Fünftel Ethylen, der Rest ist CO und Wasserstoff.

Die Forschungen der Arbeitsgruppe konzentrieren sich nun darauf, durch chemische Veränderung des Kupferkatalysators die Mengenverteilung der entstehenden vier Produktgase gezielt zu beeinflussen, sodass man nur reines Ethylen oder reines Methan in industriell interessanten Mengen produzieren kann. „Katalytische Selektivitätsoptimierung“ nennt die Chemie dieses Vorgehen.

Dabei spielt anscheinend auch die Materialdicke eine wichtige Rolle. Die Arbeitsgruppe um Professor Peter Strasser berichtet in einer kürzlich erschienenen wissenschaftlichen Publikation, dass Experimente mit hauchdünnen Kupferschichten von nur einem Millionstel Millimeter Durchmesser ganz andere Produktverteilungen ergeben als solche mit gewöhnlichem millimeterdicken Kupferblech. Weitere erstaunliche Veränderungen der chemischen Produktverteilung habe außerdem das Hinzufügen von Chlorid oder Iodid-Ionen ergeben.

„Neben den Vorgängen am Kupferkatalysator entsteht am Grafitkatalysator räumlich getrennt gleichzeitig reinster Sauerstoff“, erklärt Peter Strasser. „Kommt der Strom aus einer Fotovoltaikzelle ahmt diese Kupfer-Grafit-Elektrolyse mit metallischen Katalysatoren quasi die biokatalytische Fotosynthese der Grünpflanzen nach: Wasser und Kohlendioxid werden zu Sauerstoff und hochwertigen Kohlenstoffverbindungen. Das macht diese Elektrolyse so elegant.“

Die Publikation „Controlling Catalytic Selectivities during CO2 Electroreduction on Thin Cu Metal Overlayers“ erschien im Juli 2013 in „The Journal of Physical Chemistry“ der American Chemical Society.

tui

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