Die weltweiten CO2-Emissionen nehmen weiter zu und erreichen im Jahr 2022 36,1 Gt, was die Einführung von CO2-Steuern anregt und sich auf den Energieverbrauch auswirkt. Die elektrokatalytische CO2-Reduktionsreaktion (CO2RR) zur Herstellung hochwertiger Chemikalien und flüssiger Brennstoffe trägt zum Aufbau einer umweltfreundlichen Chemietechnik und CO2-Neutralität bei.
Jahrzehntelange Forschung sowie Fortschritte im Katalysatordesign und der Elektrolyseurtechnik im Labormaßstab versprechen den großtechnischen Einsatz der CO2-Elektrolysetechnologie.
Für praktische Anwendungen muss die elektrokatalytische CO2RR in einer Vollzelle durchgeführt werden, die leider unter einer geringen CO2-Umwandlung, schlechter Aktivität und Stabilität im Labormaßstab bei industrierelevanten Stromdichten (> 200 mA cm-2) leidet. Daher ist es eine Herausforderung, eine ausreichende Produktionseffizienz sicherzustellen, um die Produkttrennungskosten und den Stromverbrauch zu senken.
Um ein groß angelegtes CO2-Elektrolysesystem weiter zu etablieren, müssen zwei Dimensionen berücksichtigt werden: die Vergrößerung der Flächeneinheit und die Anzahl der Elektroden. Allerdings erzeugen beide in der Regel einen ausgeprägten Verstärkungseffekt, der durch die komplexe Mehrfeldkopplung, einschließlich, aber nicht beschränkt auf das elektrische Feld, das Reaktionsfeld und das Strömungsfeld, bedingt ist. Dieser Effekt führt zu einer Verringerung der Reaktionsleistung und -lebensdauer, was letztendlich die Umsetzung der industriellen CO2-Elektrolyse mit wirtschaftlichen Vorteilen einschränkt.
Kürzlich lieferte ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Ye Wang und Prof. Shunji Xie von der Universität Xiamen, China, wichtige Einblicke in die elektrokatalytische Umwandlung von CO2 für den großtechnischen Einsatz. Ihre Arbeiten wurden im veröffentlicht Chinesisches Journal für Katalyse
Diese Studie bietet einen umfassenden Überblick über den mehrskaligen, vernetzten Forschungsprozess mit dem Ziel, die kommerzielle Anwendung der CO2-Elektrolyse voranzutreiben. Das Team beleuchtet anhand neuester Forschungsergebnisse die Herausforderungen bei der Realisierung einer hocheffizienten CO2-Umwandlung.
Sie untersuchen auch die Zukunftsaussichten der elektrokatalytischen CO2-Umwandlung und konzentrieren sich dabei auf die Schlüsselfragen, die für ihre kommerzielle Anwendung angegangen werden müssen.
In der Arbeit wird darauf hingewiesen, dass eine Elektrolyse im großen Maßstab derzeit zwar nicht realisierbar ist, die Technologie der elektrokatalytischen CO2-Umwandlung und die dazugehörigen Anlagen jedoch rasch Fortschritte machen. Dieser Fortschritt geht mit einem Rückgang der Kosten erneuerbarer elektrischer Energie einher.
Die Forscher betonen, wie wichtig es ist, die Technologie aus einer umfassenden Perspektive zu optimieren und Schlüsselthemen auf verschiedenen Ebenen anzugehen, die Katalysator, Schnittstelle, Elektrolyseur und Zellstapel umfassen. Die Konzentration auf einen einzelnen Aspekt wird wahrscheinlich nicht die gewünschten Ergebnisse erzielen.
Sobald die Hürden überwunden sind, insbesondere hinsichtlich der Energieumwandlungseffizienz (ECE) und der Lebensdauer, wird die CO2-Elektrolyse bald kommerziell verfügbar sein. Sie stellen jedoch auch fest, dass sich die CO2-Elektrolysetechnologie noch in einem frühen Stadium der großtechnischen Anwendung befindet.
Mehr Informationen:
Li Lin et al., Elektrokatalytische CO2-Umwandlung für den großtechnischen Einsatz, Chinesisches Journal für Katalyse (2023). DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64524-3