Ionische Flüssigkeiten und elektrokatalytische Umsetzung von CO2

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Wertvolle Grundchemikalien aus Treibhausgas

Bildmontage © Gerhard Hofmann für Solarify

Für eine nachhaltige Wirtschaft steigt künftig die Bedeutung der Umwandlung von CO2 in Kohlenwasserstoffe und andere Grundchemikalien. Forschende der TU Darmstadt und des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien haben einer Medienmitteilung der TU Darmstadt vom 18.08.2020 zufolge wesentliche Schritte der elektrochemischen Kohlendioxid-Umwandlung entschlüsselt. Sie berichten darüber in Angewandte Chemie.

Ein zukunftsträchtiges Verfahren ist die elektrochemische Umsetzung des aus der Luft oder aus industriellen Abfall- und Nebenströmen isolierten Gases an Kupferkatalysatoren. Als Energiequelle kann Solar- oder Windstrom dienen. Das bietet zugleich die Möglichkeit, überschüssige erneuerbare Energie in Form von chemischer Energie zu speichern.

Allerdings ist die elektrokatalytische Umsetzung von Kohlendioxid ein komplexer Prozess, dessen einzelne Schritte noch nicht geklärt sind. „Ein tieferer Einblick in die Reaktionsmechanismen ist unbedingt erforderlich, um die Umsetzung des Kohlendioxids in Richtung der gewünschten Zielprodukte zu lenken“, betont Professor Bastian J. M. Etzold vom Fachbereich Chemie der TU Darmstadt.

Zusammen mit der Gruppe von Professor Jan P. Hoffmann (Fachbereich Material- und Geowissenschaften der TU Darmstadt) und Forschern vom Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien verwendeten Etzold und seine Mitarbeiter einen Trick: Auf den Kupferkatalysator brachten die Wissenschaftler eine ionische Flüssigkeit auf, die als „chemische“ Falle fungierte. So lassen sich Zwischenprodukte der elektrochemischen Umsetzung abfangen und bestimmte Reaktionsschritte unterbinden oder verlangsamen.

„Wir konnten die daraus resultierende Veränderung im Produktspektrum nutzen, um das komplexe Reaktionsnetzwerk zu vereinfachen und Schlüsselschritte zu identifizieren“, erklärt Etzold. Unter anderem konnten die Wissenschaftler neue Erkenntnisse zur Umsetzung von Kohlendioxid zu den Alkoholen Ethanol und Propanol sowie zu den Kohlenwasserstoffen Ethan und Ethen gewinnen.

Die Strategie orientiert sich an einem Konzept namens SCILL (solid catalyst with ionic liquid layer), das Etzold erstmals vor 13 Jahren publizierte. SCILL diente bislang beispielsweise der Modifikation von Platinkatalysatoren für Brennstoffzellen. Das Aufbringen der ionischen Flüssigkeit auf dem Katalysator sei eine einfach anwendbare Methode, so Etzold: „Das Verfahren kann in zahlreichen Laboren und spezialisierten Versuchsständen, auch unter technisch relevanten Bedingungen, verwendet werden.“ Dank der Vielfalt an ionischen Flüssigkeiten eigne sich der Ansatz auch für die Untersuchung von anderen elektrochemischen Reaktionen sowie generell zur Steuerung des Produktspektrums in der Elektrokatalyse.

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