Im Gegensatz zu den häufig höheren CO₂-Konzentrationen in Laboren ist CO₂ in Abgasen oder der Atmosphäre nur ein geringer Bestandteil des Gasgemischs. Katalyseprozesse müssen daher auch bei niedrigen CO₂-Konzentrationen effektiv arbeiten, um das Gas unter realistischen Bedingungen zu entnehmen und als Wertstoff wiederverwenden zu können.

Konkurrenzreaktionen verhindern

„Unser Problem sind die Konkurrenzreaktionen, die in einem Katalysator ablaufen“, erklärt Wolfgang Schuhmann. „Je weniger CO₂-Moleküle umzusetzen sind, desto wahrscheinlicher wird es, dass statt dem gewünschten Produkt bei der Katalyse Wasserstoff entsteht.“ Passt man den Elektrolyten an und wählt eine alkalischere Lösung, um das zu verhindern, hat man ein anderes Problem: CO₂ wird zu Carbonat umgewandelt und steht für gewünschte Reaktionen nicht mehr zur Verfügung.

Bis zu einem Gehalt an CO₂ von 10 bis 20 Prozent wurden schon erfolgreiche Katalyseprozesse für die CO₂-Reduktion beschrieben. Was aber, wenn der Gehalt noch geringer ist? „Wir konnten durch die Nutzung eines superaktiven Katalysators auf Nickel-Kupfer-Basis bis fünf Prozent CO₂-Gehalt eine erfolgreiche Katalyse betreiben“, sagt Adib Mahbub, der Erstautor der Publikation. Darunter mussten die Forschenden in die Trickkiste greifen: Durch eine Anpassung der elektrischen Potenziale und des Elektrolyten ließ sich dann sogar aus einem Gasgemisch mit nur zwei Prozent CO₂ eine Reduktion durchführen. „Das bedeutet zwar einen Energieverlust, macht uns aber durch geschickte Prozessführung erstmals Quellen zugänglich, die wir bisher nicht für die CO₂-Reduktion nutzen konnten“, so Wolfgang Schuhmann. „Folgende Generationen werden auf solche Konzepte aufbauen müssen, wenn sie CO₂ aus der Atmosphäre entnehmen wollen, in der der CO₂-Gehalt noch geringer ist.“

Originalpublikation:
Muhammad Adib Abdillah Mahbub, Debanjan Das, Xin Wang, Guilong Lu, Martin Muhler, Wolfgang Schuhmann: Towards the use of low-concentration CO2 sources by direct selective electrocatalytic reduction, in: Angewandte Chemie, 2024, DOI: 10.1002/anie.202419775, DOI/10.1002/anie.202419775

Quelle: Ruhr-Universität Bochum