Paderborner Forscherinnen für bahnbrechende CO2-Batterien ausgezeichnet

Durch das neue Klimaschutzgesetz hat sich Deutschland dazu verpflichtet, bis zum Jahr 2045 treibhausgasneutral zu werden. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es notwendig, Emissionen zu reduzieren, CO2 aus der Luft zu entfernen und fossile Brennstoffe durch erneuerbare Energiequellen zu ersetzen. Expert:innen weisen jedoch darauf hin, dass auch nach 2045 das Abscheiden von CO2 sowie dessen Nutzung oder Speicherung in tiefen geologischen Formationen – bekannt unter den Begriffen CCS, CCU und CCUS („Carbon Capture, Utilisation and Storage“, auf Deutsch Kohlenstoffabscheidung, Nutzung und Speicherung) – weiterhin notwendig sein wird. In diesem Zusammenhang wird ein neues Forschungsprojekt an der Universität Paderborn ins Leben gerufen, das die Entwicklung sogenannter „Übergangsmetall-CO2-Batterien (TMBCs)“ zum Ziel hat. Diese Batterien bieten nicht nur die Möglichkeit, erneuerbare Energien zu speichern, sondern tragen auch zur Reduzierung von CO2-Emissionen bei. Für ihr Projekt „CO2BATT“ wurden Jun.-Prof. Dr. María Nieves López Salas und PD Dr. Teresa de los Arcos de Pedro vom Department Chemie nun mit dem Forschungspreis der Universität geehrt.

CO2-Reduktion durch neuartige Elektroden

„CO2-Batterieren bieten großes Potenzial für den Klimaschutz. Sie könnten dazu beitragen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und den Weg für umweltfreundlichere Energiequellen zu ebnen“, erklärt López Salas, die sich in ihrer Forschung auf nachhaltige Materialchemie konzentriert. „Aber sie bringen auch große Herausforderungen mit sich“, so die Wissenschaftlerin weiter. Aktuelle Herausforderungen umfassen die niedrige Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid sowie die erhebliche Überspannung, die bei der Umwandlung von gasförmigem CO2 in ein festes Karbonat an der Kathode auftritt. Zusätzlich beeinträchtigen unerwünschte Nebenprodukte, die während dieses Vorgangs entstehen, die Materialien der Kathode.

Im Gegensatz dazu besitzen traditionelle Lithium-Ionen-Akkus zwei Elektroden. Eine Anode, die umgangssprachlich als Minuspol bekannt ist, und eine Kathode, den Pluspol, an dem die Energiespeicherung durch unterschiedliche hemische Reaktionen stattfindet. Allerdings haben sie eine große Schwachstelle, denn „Lithium-Ionen-Batterien sind nicht recycelbar. Zugunsten von Nachhaltigkeitsaspekten betrachten wir den TMBCs-Produktzyklus deshalb von Anfang an“, ergänzt de los Arcos de Pedro. Hier kommt CO2BATT ins Spiel: „Mittels fortschrittlicher Röntgenspektroskopie wollen wir ein tiefgreifendes Verständnis der Wechselwirkungen bei der CO2-Reduktion an kohlenstoffbasierten Kathoden, die mit Übergangsmetallen wie Eisen, Zink oder Aluminium angereichert sind, erlangen. Das ist der Weg zur Entwicklung neuer, vollständig recycelbarer Batterien, die Energie aus dem CO2 erzeugen, das sie der Atmosphäre entziehen“, so de los Arcos de Pedro weiter. Dazu López Salas: „Die Herausforderung besteht darin, eine hohe Aktivität und Selektivität der CO2-Umwandlung zu erreichen. Dafür ist es wichtig, die spezifischen Stellen auf der Kohlenstoff-Metall-Oberfläche zu kennen, die die Umwandlung von Übergangsmetall-Ionen in ein Karbonat durch CO2-Reduktion beeinflussen. Das wurde bisher jedoch kaum erforscht.“

Das Vorhaben gliedert sich in verschiedene Arbeitspakete, die von der Produktion von Kathodenmaterialien über elektrochemische Prüfungen bis zur Entwicklung einer speziellen elektrochemischen Zelle für Röntgenspektroskopiemessungen reichen. Dieser ganzheitliche Ansatz ermöglicht es den Wissenschaftlerinnen, die Mechanismen zu erfassen, die der CO2-Reduktion und der Energiespeicherung zugrunde liegen. Der Erfolg von CO2BATT verspricht nicht nur Fortschritte bei der Entwicklung effizienterer TMCBs, sondern könnte auch Auswirkungen auf ein breiteres Spektrum an Technologien zur CO2-Abscheidung und -Nutzung haben.

Höchste Auszeichnung der Universität für Nachhaltigkeitsforschung

„Projekte wie CO2BATT haben eine unglaublich hohe Relevanz. Sie stehen im Einklang mit den globalen Bemühungen um Nachhaltigkeit und demonstrieren eindrucksvoll das Engagement der Universität in der Förderung innovativer Lösungen“, erläutert Prof. Dr. Johannes Blömer die Entscheidung, das Vorhaben für den mit 150.000 Euro dotierten Forschungspreis auszuwählen. Der Vizepräsident für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs ergänzt: „Durch die Erweiterung der wissenschaftlichen Kenntnisse über Energiespeicherung und Kohlenstoffabscheidung trägt CO2BATT zu den globalen Bestrebungen bei, den Klimawandel zu bekämpfen und erneuerbare Energietechnologien voranzutreiben. Die Forschungsergebnisse könnten weitreichende Implikationen haben und neue Wege für die Nutzung von CO2 als Ressource eröffnen.“