Die Umwandlung von Kohlendioxid in nutzbare Brennstoffe gilt als eine der Schlüsseltechnologien im Kampf gegen den Klimawandel. Elektrochemische Verfahren können CO2 in verschiedene Produkte wie Kohlenmonoxid, Ethylen oder Alkohole umwandeln, die wiederum als Grundstoffe für Kraftstoffe oder industrielle Prozesse dienen. Trotz des Potenzials dieser Technologien ist ihre praktische Anwendung bislang durch erhebliche technische Hürden begrenzt, insbesondere durch eine begrenzte Stabilität der Systeme und die Neigung zur Verstopfung der Reaktoren durch Salzablagerungen. Ein Forscherteam der Rice University in den USA hat nun eine überraschend einfache und zugleich höchst effektive Lösung vorgestellt, die die Lebensdauer und Effizienz von CO2-Reduktionsreaktoren dramatisch verbessert. Die Wissenschaftler setzen dabei auf eine modifizierte Befeuchtung des eingesetzten Kohlendioxids.
Statt herkömmlich mit Wasser befeuchtetem CO2 wird das Gas vor der Reaktion durch eine saure Lösung – beispielsweise Salzsäure, Ameisensäure oder Essigsäure – geleitet. Diese Methode wird als „säurebefeuchtetes CO2“ bezeichnet. Das Problem bei herkömmlichen Verfahren liegt im Aufbau von Kaliumbicarbonat-Salzen im Gasflusskanal der Elektrolyseure. Diese entstehen, wenn Kaliumionen aus der Anolytenlösung durch die anionenaustauschende Membran zur Kathodenseite wandern und dort mit CO2 unter basischen Bedingungen reagieren. Dieser Salzbelag verstopft die Kanäle, blockiert den Gastransport und führt letztlich zum Versagen des Systems – häufig bereits nach einigen hundert Stunden Betrieb.
Durch das Einleiten des CO2-Gases durch eine saure Lösung wird die lokale Chemie im Reaktionsraum verändert. Die entstehenden Salze auf der Kathodenseite sind mit den Säuren wesentlich besser löslich als das zuvor problematische Kaliumbicarbonat. Dadurch können sie sich weder als feste Ablagerungen ansammeln noch die Gasdiffusionsschichten blockieren. Der Effekt ist eine deutliche Verbesserung der Stabilität der Elektrolyseure. In experimentellen Tests zeigte sich, dass ein mit säurebefeuchtetem CO2 betriebener Elektrolyseur mit Silber-Katalysator über 2.
000 Betriebsstunden in einem Labormaßstab stabil arbeitete. In einem größeren, 100 Quadratzentimeter großen Reaktor konnten sogar mehr als 4.500 Stunden ohne Leistungsverlust erreicht werden. Zum Vergleich: Systeme mit herkömmlich befeuchtetem CO2 versagten in ähnlicher Konfiguration bereits nach ungefähr 80 Stunden. Bemerkenswert ist, dass die Methode universell für verschiedene Katalysatortypen funktioniert.
So konnten auch Zinkoxid-, Kupferoxid- und Bismutoxid-Katalysatoren, die unterschiedliche Produkte des CO2-Reduktionsreaktionswegs erzeugen, mit dem Ansatz betrieben werden, ohne dass die Wirksamkeit oder Energieeffizienz darunter litt. Auch die Skalierung auf größere Elektrolyseure gelang problemlos. Ein weiteres wichtiges Kriterium für den Erfolg ist, dass die verwendeten Säuren in sehr geringer Konzentration in den Gasstrom gelangen. Dadurch bleibt die Anionenaustauschmembran, oft empfindlich gegenüber Chloriden und anderen korrosiven Substanzen, unbeschädigt. Das erhöht die Lebensdauer der gesamten Anlage und verhindert teure Reparaturen oder Austausch.
Für die Forschung waren transparente Reaktorgehäuse mit speziellen Beobachtungsmöglichkeiten von zentraler Bedeutung. Damit konnten Wissenschaftler die Saltzbildung direkt visualisieren. Während bei herkömmlicher Wasserdampfbefeuchtung bereits nach 48 Stunden deutliche Kristallisation auftrat, zeigten Anlagen mit säurebefeuchtetem CO2 auch nach Hunderten von Stunden keine nennenswerten Ablagerungen, die den Betrieb beeinträchtigen würden. Diese neue Technik stellt einen Durchbruch dar, weil sie ein altbekanntes Problem auf sehr einfache Weise löst. Statt aufwändige Konstruktionsänderungen oder kostspielige Filtermechanismen einzusetzen, genügt eine minimale Anpassung des Befeuchtungsprozesses.
CO2 wird nicht mehr durch Wasser, sondern durch eine schwache Säure gebubbelt, wodurch bestehende Anlagen mit geringem Aufwand nachgerüstet und verbessert werden können. Die wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile sind beträchtlich. Eine stabile und langlebige CO2-Reduktionsanlage ermöglicht eine kontinuierliche Produktion von synthetischen Brennstoffen und Chemikalien aus Treibhausgasen. Das trägt nicht nur zur Reduzierung des atmosphärischen CO2 bei, sondern schafft gleichzeitig eine Quelle erneuerbarer und nachhaltiger Energieträger, die fossile Kraftstoffe ersetzen können. Darüber hinaus fördert die einfache Implementierung der Technik eine schnellere Verbreitung und Skalierung im industriellen Maßstab.
Unternehmen und Forschungseinrichtungen können schneller von dieser Innovation profitieren, ohne auf grundlegend neue Reaktordesigns oder Materialien angewiesen zu sein. Die Forschungsergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Science veröffentlicht und gewinnen international Aufmerksamkeit. Experten aus den Bereichen erneuerbare Energien, Elektrochemie und Umwelttechnik sehen in der „säurebefeuchteten CO2-Elektrolyse“ einen vielversprechenden Schritt hin zu einer klimafreundlichen Kreislaufwirtschaft. Zukünftige Untersuchungen werden sich darauf konzentrieren, die optimalen Säurearten und Konzentrationen für verschiedene Anwendungen herauszufinden, sowie die langfristige Stabilität unter realen Betriebsbedingungen zu testen. Ebenso wird die Kombination mit anderen Fortschritten in der Elektrokatalyse und Membrantechnik erwartet, um die Gesamtleistung weiter zu steigern.
Die Umwandlung von Kohlendioxid in wertvolle Produkte ist ein wesentlicher Baustein für eine nachhaltige Energiezukunft. Die Entwicklung der Rice University zeigt eindrucksvoll, wie simple chemische Prinzipien, clever angewandt, zu bahnbrechenden technologischen Durchbrüchen führen können. Der Einsatz von säurebefeuchtetem Kohlendioxid könnte schon bald zum neuen Standard in der CO2-Elektrolyse werden und einen wichtigen Beitrag leisten, um die globale Erwärmung effektiver zu bekämpfen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern.
