Einleitung

Die Europäische Union soll bis 2050 der klimaneutral werden (Susanne Götze: „European Green Deal“: Wie die EU zum Klimaschutz-Kontinent werden will, Der Spiegel, 2019). In der chemischen Industrie sind mehrere Verfahren bekannt, die das Ziel von null Netto-Emissionen für diesen Bereich unterstützen können. Die elektrochemische CO₂-Reduktion ist eine Technologie, die mindestens einen Teil des anthropologisch produzierten CO₂ in andere Chemikalien umwandeln kann. Thema dieses Projektes war die Umsetzung von CO₂ mittels Niedertemperatur CO₂-H₂O-Co-Elektrolyse (CO₂-RR) zu höherpreisigen Wertprodukten wie Ameisensäure, CO und höheren Alkoholen, die als Ausgangsprodukte in der Chemieproduktion benutzt werden können. 

Ziel

Ziel des Projektes war die galvanische Abscheidung von Katalysatorpartikeln in Gasdiffusionselektroden (GDE) zur Herstellung effizienter 3D-Elektroden für die elektrochemische CO₂-RR. Neben kommerziellen Gasdiffusionssystemen, die als Referenz benutzt wurden, wurden mit dem Trocken-Pressverfahren GDE hergestellt. Die hydrophobe Ausstattung solcher Systeme erschwerte wegen der schlechten Benetzbarkeit die galvanische Abscheidung. Das Design der Elektroden sollte so angepasst werden, dass die Beschichtungslösung über den gesamten Querschnitt gleichmäßig in das Porensystem eindringen konnte. Anschließend sollte die Aktivität und Selektivität der Elektroden für die elektrochemische CO₂-Reduktion (Ameisensäureherstellung) bestimmt werden. 

Ergebnisse

In diesem Projekt wurden Zinn, Kupfer und Bismut wegen ihres niedrigen Preises, ihrer nicht-toxischen Eigenschaften und ihrer Fähigkeit, Kohlenwasserstoffe mit niedrigem Molekulargewicht herzustellen, als Katalysatoren für die CO₂-RR gewählt und auf der GDE elektrochemisch abgeschieden. Die Wirkung der unterschiedlichen Arbeitsmodi auf die Morphologie der Überzüge wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht. Die gefertigten Elektroden wurden elektrochemisch getestet. Die produzierten Gase wurden mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) analysiert. Die Katalysatorverteilung auf und in der GDE vor und nach der CO₂-Elektrolyse wurde mittels Computertomographie (CT) untersucht.

Schlussfolgerung

Elektrochemisch abgeschiedenes Bi wurde als geeigneter Katalysator für die CO₂-RR eingestuft. Einen Zusammenhang der FE für Formiat mit der Schichtmorphologie bzw. mit den Abscheidungsparametern wurde festgestellt. Die Kombination selbsthergestellten Gasdiffusionselektroden, elektrochemisch beschichtet mit Bi, ist vielversprechend für die Entwicklung einer Elektrode mit guter Langzeitstabilität für die elektrochemische CO₂-RR.

Danksagung

Das Forschungsvorhaben 47 EWN der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert.