Ziel der Forschung ist es, Treibhausgas mit Strom in wertvolle Produkte umzuwandeln

Forscher der Case Western Reserve University entwickeln Möglichkeiten zur Umwandlung von Abfällen in Kraftstoffe und andere Produkte. Dabei kommen energieeffiziente Prozesse zum Einsatz, die auf erneuerbaren Quellen basieren.

Genauer gesagt stehen sie kurz vor der Lösung der Herausforderung, Kohlendioxid (CO2), ein wichtiges Treibhausgas, mithilfe von Elektrizität in wertvolle Chemikalien umzuwandeln.

CO2 kann ein nützlicher Rohstoff für die Herstellung von Grundchemikalien und Kraftstoffen sein. Der Prozess zur Erzeugung der notwendigen Reaktion ist jedoch nicht einfach, da dafür hohe Drücke, hohe Temperaturen und spezielle Materialien erforderlich sind.

„Unsere moderne Gesellschaft benötigt dringend Technologien, die das CO2 aus Abfällen – oder sogar aus der Luft – auffangen und unter harmlosen Bedingungen in Produkte umwandeln können“, sagte Burcu Gurkan, Professor für Chemieingenieurwesen an der Case School of Engineering. „Die elektrochemische Umwandlung von Kohlendioxid ist ein ungelöstes Problem, das mehr als 150 Jahre alt ist.“

Bisher konzentrierte sich die Forschung hauptsächlich auf die Entwicklung von Katalysatormaterialien und das Verständnis der energieintensiven CO2-Umwandlungsreaktion in wasserbasierten Elektrolyten. Dennoch bleiben Herausforderungen bestehen, da wasserbasierte Systeme nur über eine begrenzte CO2-Kapazität verfügen. Darüber hinaus beinhaltet der Prozess unerwünschte Nebenreaktionen, wie beispielsweise Wasserstoffgasemissionen.

Aber in einer Studie veröffentlicht diesen Herbst im European Journal Angewandte ChemieDas Forschungsteam von Case Western Reserve hat gezeigt, dass die von ihnen entwickelten ionischen Flüssigkeiten CO2 effektiv einfangen und in einem elektrochemischen Prozess umwandeln.

Ionische Flüssigkeiten sind Salze, die unter 100 °C schmelzen. Diejenigen, die Gurkans Gruppe entwickelt hat, sind bei Raumtemperatur flüssig. Diese ionischen Flüssigkeiten sind auch insofern einzigartig, als sie über eine hohe Kapazität zur CO2-Abscheidung verfügen und die elektrochemische Stabilität aufrechterhalten. Dadurch erreichte das Team den gewünschten elektrochemischen Prozess.

„Unser Ansatz konzentriert sich auf ionische Flüssigkeitselektrolyte, die die Thermodynamik und Produktverteilung aufgrund kinetischer Effekte verändern können, die dank der Flexibilität beim Design ionischer Flüssigkeiten weiter abgestimmt werden können“, sagte Gurkan.

Die von Oguz Kagan Coskun, einem Doktoranden in Gurkans Gruppe, geleitete Studie kombinierte spektroskopische und elektroanalytische Techniken, um die grundlegenden Mechanismen aufzudecken, die ionische Flüssigkeiten zur Aktivierung der CO2-Reduktionsreaktion an der Kupferelektrodenoberfläche benötigen.

Die Gruppe berichtete, dass weniger Energie benötigt werde, um die Reaktion voranzutreiben, und stellte fest, dass dadurch eine Vielzahl industriell relevanter Produkte entstehen könnten – ohne die unerwünschten Nebenprodukte, die beim herkömmlichen Elektrolyseprozess auftreten.

Darüber hinaus erläutert der Bericht entscheidende Aspekte, die die Eigenschaften der Reaktionsumgebung für die effektive Nutzung von CO2 beeinflussen. Diese zusätzlichen Informationen tragen zu einem tieferen Verständnis der Reaktionsumgebung bei, insbesondere im Hinblick auf unkonventionelle Elektrolyte.

Das Team plant, die einzelnen Reaktionsschritte weiter zu untersuchen, um daraus Informationen für spätere Elektrolytdesigns zu gewinnen. Das ultimative Ziel: eine bessere Kontrolle der Chemikalien aus der Reaktion und die Weiterentwicklung der elektrochemischen Ansätze zum CO2-Recycling.