Neuartige Co-Elektrolyse: CO2 wird zum klimaneutralen Energieträger

Forscher des Brookhaven National Laboratory (BNL) haben ein modernes Verfahren namens Co-Elektrolyse entwickelt, um CO2 in Methanol, Ethanol, Methan und Synthesegas umzuwandeln. Diese Produkte können als Chemierohstoffe oder Kraftstoffe verwendet werden und dienen auch als Speicher für erneuerbare Energien. Da das CO2 der Atmosphäre entnommen wird, ist die Nutzung dieser Stoffe klimaneutral.

Problem hoher Energieverbrauch

Für eine erfolgreiche Umwandlung werden Katalysatoren benötigt. Experten des Brookhaven National Laboratory (BNL) haben mit Unterstützung des US-Energieministeriums (DOE) einen Ansatz entwickelt, der die Elektrolysegeschwindigkeit um den Faktor 800 steigern kann. „Es gibt viele Materialien, die in der Lage sind, die Reduktion von CO2 zu katalysieren, aber man muss dem System oft eine große Menge an Energie zuführen, was ein wirtschaftliches Hindernis für einen groß angelegten Einsatz darstellt“, sagt BNL-Chemiker Gerald Manbeck. „Der von uns entwickelte Katalysator benötigt weit weniger Energie und zeigt eine hervorragende Leistung.“

Das Herzstück des neu entwickelten Katalysatormoleküls ist ein Rhenium-Atom, ein seltenes und widerstandsfähiges Schwermetall von strahlend weißer Farbe, das chemisch Palladium und Platin ähnelt. Um das Rhenium herum befinden sich Kohlenstoff-, Stickstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffatome. Das Forscherteam entwickelte drei neue Katalysatorvarianten, indem es sie gezielt mit positiv geladenen Kationen anreicherte, wobei jede Variante unterschiedliche Abstände zwischen den Kationen und dem Rhenium-Metallzentrum aufweist. Bei einem bestimmten Abstand steigt die katalytische Aktivität sprunghaft um etwa 800 an, ohne dass wesentlich mehr elektrische Energie benötigt wird.

Sonne soll Strom produzieren

Den entscheidenden Abstand haben die Wissenschaftler:innen mit verschiedenen Methoden ermittelt. Dazu gehören die zyklische Voltammetrie, eine elektrochemische Technik zur Messung von Energiekennwerten und Reaktionsgeschwindigkeiten, sowie die Infrarot-Spektroelektrochemie, die Aufschluss über strukturelle Veränderungen der Reaktionsteilnehmer gibt. Das nächste Ziel ist die Erzeugung der benötigten elektrischen Energie durch integrierte Photozellen, die Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln.