Bioinspirierte Elektroden für eine effiziente und skalierbare elektrokatalytische CO2-Reduktion zu Produkten mit hohem Mehrwert

Die elektrokatalytische CO₂-Reduktionsreaktion (CO₂RR) ist der vielversprechendste Weg zur CO₂-Nutzung, da sie effizient, vielseitig, skalierbar und mit erneuerbaren Energien kompatibel ist. BEES-4-CO₂RR entwickelt effiziente, nachhaltige und skalierbare katalytische Elektroden, die von der Natur inspiriert und in einem skalierbaren Durchflussreaktor integriert sind, um eine effiziente CO₂RR zu CH₄ und anderen Kohlenwasserstoffen zu ermöglichen. Die technischen Innovationen des Projekts werden weitreichende Auswirkungen auf die Energie- und Chemieindustrie haben.
Im Mittelpunkt des Konzepts steht die Entwicklung neuartiger poröser Katalysatormaterialien auf gasdiffundierenden Elektroden (GDEs), die gesputterte Kupfer- und Kupfer-Zink-Legierungskatalysatoren mit multifunktionalen, bio-inspirierten polyionischen Flüssigkeitsstrukturen kombinieren, die speziell entwickelt und mittels Nano-Imprint-Lithographie (NIL) hergestellt werden. Diese innovativen Elektroden vereinen zahlreiche kritische Funktionen zur Steigerung der CO₂RR-Leistung:
(i) (Super)hydrophilie kombiniert mit (Super)aerophobie der neuartigen aktiven Materialoberfläche durch bio-inspirierte Strukturierung. Dies gewährleistet eine optimale Benetzung des Katalysators mit dem Elektrolyten und eine schnelle Freisetzung der gebildeten gasförmigen Produkte, um die katalytischen Stellen für weitere Reaktionen freizugeben, was die Aktivität und die Stromstabilität steigert. 
(ii) Verbesserte katalytische Eigenschaften durch die Implementierung selektiver Cu-Zn-Legierungskatalysatoren in Kombination mit der Imidazolium-Funktionalisierung des Polymers, die das gelöste CO₂ aktiviert und somit den Prozess an der Dreiphasengrenze verbessert und die Menge des mit dem Katalysator interagierenden CO₂ erhöht.
(iii) Hydrophobie des porösen Trägersubstrats zur Vermeidung der sogenannten "Flutung" der Elektrode mit dem Elektrolyten. Der Einsatz poröser, nicht fluorierter Polymerfolien anstelle des häufig verwendeten kohlenstoffhaltigen GDE wird voraussichtlich zu einer solchen positiven Wirkung führen und die Langzeitstabilität fördern. 
(iv) Verbesserte elektrische Leitfähigkeit der Elektrode. Neben hochleitfähigen Metallkatalysatoren wird die Leitfähigkeit des NIL-Polymers durch eingebettete Cu-Aktivspezien und/oder auf der Polymeroberfläche abgelagerte Cu-Inseln verbessert, was sich positiv auf die Stromdichte und Selektivität auswirkt.

Projektziele

Die entwickelte multifunktionale Elektrode: (i) wird durch skalierbare Methoden wie Sputtern und NIL verarbeitet, (ii) verwendet keine kritischen Rohstoffe (CRMs), ohne die Leistung zu beeinträchtigen, (iii) untersucht Alternativen zu fluorierten polymeren porösen Substraten und (iv) implementiert ein leicht skalierbares Durchflussreaktordesign, bei dem CO₂ über eine GDE zu den aktiven Katalysatorstellen geleitet wird, um Transportbegrenzungen zu vermeiden.

Bei der Implementierung im Endsystem zielt das vorgeschlagene Konzept darauf ab, eine Faraday-Effizienz von nahezu 85 % für die Umwandlung von CO₂ zu CH₄ zu erreichen, mit einer Stabilität von mehr als 100 Stunden, während eine Stromdichte von über 100 mA/cm² beibehalten wird.

Projektergbenisse

AIT hat erfolgreich Cu-Zn-Legierungen mittels Sputterdeposition auf ein Polyethylen-(PE) Substrat (ein poröser, nicht fluorierter Polymerwerkstoff) mit Zusammensetzungsgradienten des Zinks im Bereich von ca. 37 bis 77 At.-% abgeschieden (Abbildung 1).
Auf PE abgeschiedene Cu- und Cu-Zn-Schichten wurden für die CO₂-Reduktionsreaktion (CO₂RR) unter Verwendung eines Durchflusszellenreaktors getestet, wobei CO₂ direkt auf die Rückseite der Gasdiffusionselektrode eingeleitet wurde. In 0,5 M NaHCO₃ und 0,5 M KHCO₃ wurden bei unterschiedlichen Potenzialen Faraday-Wirkungsgrade für CH₄ von 20 bis 35 % erreicht, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Förderung