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Die Zukunft der CO2-Elektrolyse: Wie wandelt man Abgas in nützliche Chemikalien um?
Angesichts der Herausforderung des globalen Klimawandels sucht die Wissenschaft nach verschiedenen innovativen Technologien zur Reduzierung der Kohlendioxid-Emissionen (CO2) durch industrielle Aktivitäten. Die elektrolytische Reduktion von Kohlendioxid (CO2RR) ist eine neue Technologie, die darauf abzielt, Elektrizität zu nutzen, um CO2 in eine Vielzahl nützlicher Chemikalien umzuwandeln. Dieser Prozess könnte ein wichtiger Bestandteil der Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (CCU) werden.
Nach neuesten Forschungsergebnissen kann CO2RR nicht nur Verbindungen wie Ameisensäure (HCOO-), Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4), Ethylen (C2H4) und Ethanol (C2H5OH) produzieren, sondern Unternehmen auch eine nahezu CO2-neutrale und bedarfsgerechte Streckenführung. Die Entwicklung dieser Technologie hat die Aufmerksamkeit vieler Unternehmen auf sich gezogen, darunter Siemens, Dioxide Materials, Twelve und GIGKarasek, und ist 2021 in die Pilotphase eingetreten.
„Die größten Herausforderungen sind die relativ hohen Stromkosten und die Tatsache, dass CO2 oft mit Sauerstoff vermischt wird, der vor der Reduktion gereinigt werden muss.“
Die Geschichte der elektrolytischen Reduktion von Kohlendioxid lässt sich bis ins 19. Jahrhundert zurückverfolgen, als Zinkkathoden zur Reduzierung von CO2 zu Kohlenmonoxid verwendet wurden. Allerdings nahm die Forschung in den 1980er Jahren aufgrund des Ölembargos der 1970er Jahre Fahrt auf. Derzeit werden mehrere moderne Elektrolyseursysteme entwickelt, die CO2 direkt aus der Luft gewinnen oder starke Basen und Absorptionsmittel auf Aminbasis verwenden können, um CO2 zu extrahieren und einen Reduktionsprozess mit relativ geringem Energieverbrauch durchzuführen.
Bei diesem Prozess ist die Wahl des Katalysators von entscheidender Bedeutung. Verschiedene Metallkatalysatoren weisen unterschiedliche Selektivitäten für die Herstellung verschiedener Produkte auf. Beispielsweise können Kupferkatalysatoren eine Vielzahl reduzierter Produkte wie Methan, Ethylen oder Ethanol erzeugen, während andere wie Zinn oder Wismut vorzugsweise Ameisensäure produzieren. In der Industrie werden einige Chemikalien wie Harnstoff und Methanol bereits auf Basis von Kohlendioxid als Rohstoff hergestellt.
Potenzial zur Gewinnung von Chemikalien aus CO2„Die Zusammensetzung des Katalysators ist entscheidend für die Leistung des Elektrolyten, und die Gasdiffusionselektrode gilt als Schlüssel zur Verbesserung der Produktivität.“
Während der Photosynthese können Pflanzen Kohlendioxid in Zucker umwandeln, der als Rohstoff für viele Biosynthesewege dient. Bis zur industriellen Umsetzung sind jedoch noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Viele Technologien auf Basis der elektrolytischen Reduktion sind heute noch nicht kommerziell auf dem Markt, insbesondere bei bei Raumtemperatur betriebenen Elektrolysezellen, bei denen noch weitere technologische Durchbrüche erforderlich sind. Stattdessen können Festoxidelektrolyseure (SOECs) CO2 bei erhöhten Temperaturen effizient in CO umwandeln und sind kommerziell erhältlich.
Der Reiz der Elektrolyse-Reduktionstechnologie liegt in ihrer Fähigkeit, sie mit erneuerbarer Energie zu kombinieren, um den Kohlendioxidausstoß zu verringern und zu einer nachhaltigen Entwicklung beizutragen. Einige Technologien können unter Umgebungsbedingungen betrieben werden, was bedeutet, dass Erweiterung und Anpassung einfacher sind als bei herkömmlichen Chemieanlagen. Das ultimative Ziel der elektrolytischen Reduktion von Kohlendioxid besteht derzeit darin, es in höherwertige Chemikalien wie Ethylen und seine Derivate umzuwandeln.
„Die Herstellung des richtigen Katalysators und die Kontrolle der Reaktionsbedingungen werden für die Weiterentwicklung der Anwendung der Technologie zur elektrolytischen CO2-Reduktion von entscheidender Bedeutung sein.“
Obwohl bei der elektrolytischen Reduktion von Kohlendioxid noch gewisse technische Herausforderungen bestehen, kann ihr Potenzial für zukünftige Entwicklungen nicht ignoriert werden. Da der Fokus auf erneuerbare Energien und CO2-Neutralitätsziele immer stärker wird, beginnen vermutlich mehr Unternehmen, das Potenzial dieser Technologie zu erkunden. Außerdem ist damit zu rechnen, dass in naher Zukunft mehr Produkte mithilfe dieser Technologie industriell hergestellt werden.
Wie können wir uns an diesem Trend aktiv beteiligen und die elektrolytische Reduktion von Kohlendioxid vorantreiben, damit sie zur Kerntechnologie für die Produktion nachhaltiger Chemikalien der Zukunft wird?
