CO2 als Roh­stoff für Kata­lyse nutzen

Peter Strasser bei Untersuchungen mithilfe der Elektrolyseanlage. (Bild: TUB)

Peter Strasser bei Unter­suchungen mit­hilfe der Elek­tro­lyse­anlage. (Bild: TUB)

Auf dem volks­wirt­schaft­lich wichtigen Ge­biet der elektro­chemischen Katalyse­prozesse wurden drei neue Verbund­projekte an der TU Berlin be­willigt. Sprecher aller drei Vor­haben ist Peter Strasser, Leiter des Fach­gebietes „Elektro­chemische Kata­lyse und Materialien“ am TU-Institut für Chemie. In allen drei Pro­jekten werden die chemischen Grund­lagen und an­wendungs­relevanten Aspekte der direkten elektro­chemischen Umwandlung von Wasser und Kohlendioxid mit Hilfe von Elektrizität in wertvolle chemische Molekül­bau­steine für die chemische Indus­trie oder in Brenn­stoffe er­forscht. Ge­för­dert werden die drei Pro­jekte an der TU Berlin mit ins­gesamt zwei Millionen Euro für drei Jahre.

Das erste Ver­bund­pro­jekt „Electro­chemical CO2 conversion“ unter­sucht die kürzlich am Fach­gebiet von Peter Strasser ent­deck­ten Kohlen­stoff­kata­lysa­toren für die direkte Um­wand­lung von Kohlen­dioxid in Kohlen­wasser­stoffe. Da bisher Gold und Silber die be­vor­zugten Kata­ly­sa­toren für diese Reaktion waren, ist die Erkennt­nis, dass kohlen­stoff­basierte Materialien Kohlen­dioxid ebenso effizient kata­lysieren, von größter Bedeu­tung. Die For­schungen finden im Rah­men des renommierten Flag­ship-Programms „Climate-KIC/EnCO2re“ der Europä­ischen Union statt. Die TU-Chemiker arbeiten mit Wissen­schaft­lerinnen und Wissen­schaftlern der Ruhr-Uni Bochum und der UniKopen­hagen sowie mit der Firma Covestro (ehemals Bayer Material Science) zu­sammen.

Das zweite Ver­bund­pro­jekt befasst sich mit der direkten Um­wandlung von Kohlen­dioxid zu Kohlen­wasser­stoffen auf nano­strukturierten Metall­katalysatoren. Dazu werden neue chemische Analysestrategien, „operando“-Methoden, entwickelt und eingesetzt. Sie erlauben eine direkte Beo­bach­tung der reagierenden Mole­küle wäh­rend der chemischen Um­wand­lung. Gefördert wird es vom Bundes­ministerium für For­schung und Bil­dung BMBF. Partner sind die Ruhr-Uni Bochum und die Freie Uni Berlin.

Das dritte Ver­bund­pro­jekt beschäftigt sich mit dem mole­kularen Ver­ständnis der elektro­kataly­tischen Pro­zesse an der Grenz­fläche zwischen Flüssig­keit und festem Kata­ly­sator in Photo­elektro­chemischen Zellen PEZ. Im Vorder­grund steht hier die elektro­chemische Spal­tung von Wasser zur Er­zeu­gung von Wasser­stoff und von anderen chemischen Zwischen­produkten. Finanziert wird es von der Deutschen Forschungs­gemein­schaft DFG im Rahmen des Schwer­punkt­programms SPP1613 „Fuels Pro­duced Regenera­tively Through Light-Driven Water Splitting“. Hier koope­riert das Fach­gebiet von Strasser mit dem Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin-Dahlem.

Bei der Er­for­schung der chemischen Grund­lagen und an­wendungs­rele­vanten Aspekten der elektro­chemischen Um­wandlung von Wasser und Kohlen­dioxid mit Hilfe von Elektri­zität in chemische Molekül­bau­steine für die chemische Industrie oder in Brennstoffe kommen zwei Ver­fahren in Betracht: Das eine nutzt Photo­vol­taik- oder Wind­kraft­anlagen zur Um­wand­lung von Sonnen­licht in Strom. Dieser wird an­schließend in neu­artigen Vorrich­tungen (Elektro­lyseuren) mit einem elektro­chemischen Katalysator­material zusammen mit Wasser und Kohlen­dioxid direkt zu Wasser­stoff, Methan, Ethylene, Methanol, Ethanol und einer Viel­zahl weiterer chemischer Pro­dukte um­ge­wandelt. Das andere Ver­fahren nutzt die Kombi­nation aus einem Halb­leiter wie Silizium und einem Elektro­katalysator­material in einer integrierten „Photo­elektro­chemischen Zelle PEZ“, die bei Sonnen­be­strahlung eben­falls aus Kohlen­dioxid und Wasser chemische Pro­dukte oder Brenn­stoffe liefert. Die PEZ-Technologie ist kompakter als die Photo­voltaik-Elektro­lyseur-Techno­logie, aller­dings ist die Integration von Sonnen­licht­nutzung und elektro­chemischer Kata­lyse eine große wissen­schaft­liche und tech­nische Heraus­for­derung hin­sicht­lich der Leis­tungs­fähig­keit und der Lebens­dauer der Photo­elektro­chemischen Zellen.

Über die ato­maren Details, wie die elektro­che­mischen Reak­tionen an der Ober­fläche der Kata­lysa­toren mole­kular ab­laufen, ist sehr wenig bekannt. Ebenso weiß man kaum etwas, wie die atomare Zusammen­setzung und Stru­ktur des Kata­lysators die Art und Menge der ent­stehenden Produkte beein­flussen kann. Das Ziel aller drei Verbund­projekte ist deshalb, die elektro­chemischen Pro­zesse anhand ver­schiedener Kata­lysator­klassen grund­legend zu ver­stehen und Methoden zu ent­wickeln, um die chemischen Pro­zesse während der Reaktion zu studieren. (Quelle: TUB)

Links: AG Elektrochemische Katalyse-, Energie- und Materialwissenschaften (P. Strasser), Technische Universität Berlin

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