In einer Zeit, in der der Kampf gegen den Klimawandel dringlicher denn je ist, haben Forschende am Massachusetts Institute of Technology (MIT) einen bedeutenden Fortschritt erzielt, um Kohlendioxid (CO2) wirtschaftlich in nützliche Produkte umzuwandeln.
Mit einer innovativen, neu entwickelten Elektrode könnte der Prozess der elektrochemischen CO2-Umwandlung deutlich effizienter und skalierbarer gestaltet werden – ein potenzieller Durchbruch für die Industrie.
Wirtschaftliche Effizienz und Skalierbarkeit
Die wachsenden Herausforderungen durch Treibhausgasemissionen erfordern praktikable und wirtschaftliche Ansätze, um CO2 aus der Atmosphäre oder Abgasen zu entfernen und in Rohstoffe wie Ethylen, Methanol oder andere chemische Bausteine umzuwandeln. Solche Verfahren existieren zwar, doch bislang mangelte es an wirtschaftlicher Effizienz und Skalierbarkeit.
Das Forschungsteam des MIT konzentrierte sich auf die elektrochemische Umwandlung von CO2 in Ethylen – einen essenziellen chemischen Rohstoff, der zur Herstellung von Kunststoffen und Treibstoffen genutzt wird und derzeit aus fossilem Erdöl gewonnen wird. Der aktuelle Marktpreis für Ethylen liegt bei etwa 1.000 US-Dollar pro Tonne. Ziel der Forschenden war es, mit ihrem Ansatz eine wettbewerbsfähige Kostenstruktur zu erreichen.
Innovatives Elektroden-Design als Schlüssel zur Effizienz
Kern der neuen Technologie ist eine hierarchisch leitfähige Elektrode, die zwei wesentliche Eigenschaften vereint: hohe elektrische Leitfähigkeit und hydrophobe (wasserabweisende) Eigenschaften. Diese Kombination ist entscheidend, da Elektroden bisher entweder gut leitend oder wasserabweisend waren, nicht aber beides. Das Forschungsteam nutzte PTFE, einen Kunststoff mit ausgeprägten hydrophoben Eigenschaften, und fügte leitfähige Kupferdrähte hinzu, die in das Material eingewebt wurden.
Dieses Design ermöglicht eine effektive Leitung elektrischer Ströme und verhindert gleichzeitig, dass die wasserbasierte Elektrolytlösung die Reaktionen an der Elektrodenoberfläche stört. Die Kupferdrähte fungieren als „elektrische Superhighways“, die Leistungsverluste minimieren und die Effizienz steigern.
Zusätzlich entwickelten die Forschenden ein mathematisches Modell, das die Spannungsverluste und Produktverteilung innerhalb der Elektrode analysiert. Auf Basis dieser Daten optimierten sie den Abstand der Kupferdrähte, um maximale Effizienz zu erreichen.
Skalierbare Lösung für industrielle Anwendungen
Ein häufiges Problem bei der Entwicklung neuer Technologien ist die Übertragung von Labormodellen auf industrielle Maßstäbe. Während bisherige Forschung auf kleine Elektroden von wenigen Quadratzentimetern beschränkt war, konnte das MIT-Team eine zehnfach größere Elektrode testen und deren Effizienz erfolgreich nachweisen.
Tests zeigten, dass das System auch bei einer Laufzeit von 75 Stunden stabil bleibt und die gewünschten chemischen Produkte zuverlässig erzeugt. Das innovative Verfahren lässt sich außerdem leicht in bestehende Fertigungsprozesse integrieren, etwa durch roll-to-roll-Produktion, wie sie in der Industrie weit verbreitet ist.
Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit als Ziel
Das neue Elektrodendesign ist unabhängig von den eingesetzten Katalysatoren und kann flexibel an verschiedene chemische Umwandlungsprozesse angepasst werden. Damit bietet es eine universelle Lösung, um CO2 in unterschiedliche Produkte zu transformieren.
„Die Herausforderung, jährlich Gigatonnen CO2 zu verarbeiten, erfordert Ansätze, die sowohl effizient als auch skalierbar sind“, erklärt das Forschungsteam. Die Entwicklung dieser hierarchischen Elektrode sei ein wichtiger Schritt, um CO2 als wertvolle Ressource zu nutzen und gleichzeitig die wirtschaftlichen Hürden solcher Prozesse zu überwinden.
Die Forschung wurde von der Shell Corporation über das MIT Energy Initiative Programm unterstützt. Ein Teil der Arbeiten fand in den hochmodernen MIT.nano-Einrichtungen statt.
Originalpublikation: Hierarchically conductive electrodes unlock stable and scalable CO2 electrolysis. Rufer, S., Nitzsche, M.P., Garimella, S. et al. IN: Nat Commun 15, 9429 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53523-8