Neue Katalysatorbeschichtung könnte Chemie- und Transportbranche Aufschwung verschaffen

Die Kopplung der elektrochemischen Umwandlung des Treibhausgases CO2 mit erneuerbaren Stromquellen wie Sonne und Wind verspricht eine umweltfreundliche Produktion von Chemikalien und Kraftstoffen mit hoher Nachfrage. Kohlendioxid-Kopplungsprodukte wie Ethylen, Ethanol und Essigsäure sind besonders nützlich als Rohstoffe für die chemische Industrie und als Antrieb für Fahrzeuge.

Zwar wurden bereits Entwürfe für effiziente und skalierbare Elektrolyseure (die Elektrizität für chemische Umwandlungen nutzen) mit industriell relevanten Stromdichten entwickelt, doch die Stabilität und Selektivität der Katalysatoren behinderten die Bemühungen um eine Kommerzialisierung.

Um diese Herausforderung zu meistern, haben das Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und seine Kollegen eine Katalysatorbeschichtungsplattform entwickelt, die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) verwendet und eine präzise Kontrolle über Dicke, Zusammensetzung, Morphologie und Porosität bietet.

Bisher konnte nur gezeigt werden, dass Kupfer und Kupferlegierungen CO2 effizient in Mehrkohlenstoffprodukte wie Ethylen, Ethanol, Acetat und Propanol umwandeln. Die Herausforderung bei der Katalysatorentwicklung besteht darin, die Katalysatorleistung von den mit der Katalysatorintegration verbundenen Effekten zu entkoppeln.

Dies gilt insbesondere beim Vergleich von Katalysatoren, die mit verschiedenen Methoden hergestellt und integriert und in verschiedenen Elektrolyseurkonfigurationen getestet oder aus Tinten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen hergestellt wurden.

„Wir haben eine neue skalierbare und anpassbare Katalysatorplattform entwickelt, mit der die Katalysatorzusammensetzung angepasst werden kann, ohne die Katalysatormorphologie oder die Katalysatorintegration im Elektrolyseur zu verändern“, sagte LLNL-Materialwissenschaftler Jürgen Biener, einer der Hauptautoren eines Papiers veröffentlicht im Journal Klein. Weitere LLNL-Forscher sind Zhen Li, Stephen Weitzner, Sneha Akhade und Xie Liu.

Das Team, zu dem auch Forscher der University of Delaware, der Washington University und der University of Pennsylvania sowie der Industriepartner Twelve Benefits Corporation gehören, nutzte seine PVD-Plattform, um die Leistung von verdünnten Legierungskatalysatoren auf Kupferbasis systematisch zu untersuchen, die andernfalls schwer zu synthetisieren und zu integrieren sind.

Geleitet von der Theorie entwickelte das Team mehrere verdünnte Legierungskatalysatoren auf Kupferbasis, die die Kopplung des Zwischenprodukts Kohlenmonoxid an die gewünschten Multikohlenstoffprodukte fördern.

„Die Ergebnisse zeigen, wie leistungsfähig die Verwendung verdünnter Legierungen ist, um die Energielandschaft der CO2-Elektrolyse systematisch abzustimmen und so die Effektivität der Erzeugung sauberer Ausgangsstoffe für die Chemie- und Transportindustrie zu steigern“, sagte LLNL-Wissenschaftler Joel Varley, der die Simulationsbemühungen dieser Arbeit leitete.

PVD-Verfahren ermöglichen nicht nur eine genaue Kontrolle über die Gleichmäßigkeit, Dicke und Zusammensetzung der Beschichtung, sondern produzieren auch weniger Abfall und sind weniger arbeitsintensiv als herkömmliche galvanische Verfahren. Dadurch sind sie trotz höherer Kapitalkosten kostengünstiger. Die Entwicklung könnte zu Verbesserungen in der Chemie- und Transportbranche führen.