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Plasma und Strom wandeln CO₂ in wertvolle Chemikalien um
Neue Reaktionswege für Kohlendioxid: Eine Kombination aus nichtthermischem Plasma und Elektrokatalyse lässt auf einer Kupferelektrode Stoffe wie Methanol und Butan entstehen, die bei reiner Elektrokatalyse nicht gebildet wurden. Zugleich steigerte das Verfahren die Produktivität von Verbindungen mit mindestens drei Kohlenstoffatomen um den Faktor 3,3. Noch ist das System ein Laboransatz.
New Haven (U.S.A.). Kohlendioxid ist chemisch ausgesprochen stabil, denn seine starken Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen erschweren die gezielte Umwandlung des Treibhausgases in komplexere und wirtschaftlich interessante Stoffe. Elektrokatalyse, bei der Strom und ein Katalysator die Reaktion steuern, kann CO₂ zwar in Chemikalien überführen, doch gerade Verbindungen mit drei oder mehr Kohlenstoffatomen bleiben auf Kupfer schwierig.
Genau hier setzt eine neue Kopplung zweier elektrisch betriebener Verfahren an: Ein nichtthermisches Plasma, also ein Gas mit energiereichen Elektronen, aktiviert CO₂ oder Kohlenmonoxid, bevor die Moleküle auf einen Kupferkatalysator treffen. Die zusätzliche Aktivierung soll Reaktionswege öffnen, die der Elektrokatalyse allein kaum zugänglich sind.
Forscher der University of Antwerp um Prof. Annemie Bogaerts haben gemeinsam mit einem internationalen Team eine Plasma-Elektrokatalyse-Plattform untersucht, bei der das aktivierte Gas direkt zu einer Kupfer-Gasdiffusionselektrode gelangt. So sollen kurzlebige, reaktive Plasmaspezies den Katalysator erreichen, ohne zuvor in der flüssigen Elektrolytlösung weitgehend abgefangen zu werden.
Der Schlüssel ist eine Drei-Phasen-Grenzfläche aus Gas, Flüssigkeit und Feststoff. Eine poröse Gasdiffusionselektrode trägt eine dünne Kupferschicht und trennt das Plasma von der Flüssigkeit, während aktivierte Gasteilchen bis zur Katalysatoroberfläche gelangen und dort mit Protonen aus dem Wasser reagieren können.
„Wir stellen fest, dass das Plasma neue Reaktionswege erschließt, die zur Bildung von Produkten wie Methanol und Butan führen, die bei reiner Elektrokatalyse nicht entstehen“, sagt Prof. Lea R. Winter von der Yale University.
In den Experimenten erweiterte die Plasmaaktivierung das Produktspektrum deutlich. Neben Methanol entstanden unter anderem Acetylen, Ethan, Propan, Butan und Butanol über Reaktionswege, die bei der reinen Elektrokatalyse nicht beobachtet wurden. Beim gemeinsamen Einspeisen von CO₂ und Kohlenmonoxid stieg die Produktivität von Verbindungen mit mindestens drei Kohlenstoffatomen um den Faktor 3,3 und die Produktivität von Alkoholen um den Faktor 1,5 gegenüber der Elektrokatalyse allein.
Simulationen, Experimente und Messungen direkt an der arbeitenden Elektrode liefern Hinweise auf den Grund. Demnach spielen schwingungsangeregte Moleküle und Kohlenstoffsuboxid, C₃O₂, eine Rolle. Sie können auf Kupfer andere Zwischenprodukte entstehen oder anreichern lassen und damit Reaktionswege öffnen, die ohne Plasma kaum zugänglich sind.
„Es war eine Herausforderung herauszufinden, wie sich Plasma so wirksam mit Katalysatoren koppeln lässt, dass wir tatsächlich einen Plasmaeffekt sehen und die plasmaangeregten Spezies an katalytischen Reaktionen teilnehmen“, erklärt Prof. Lea R. Winter.
Die Kombination arbeitet laut der offiziellen Studienmitteilung bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur, was den Aufbau prinzipiell für eine flexible, strombasierte Chemie interessant macht. Die Studie demonstriert jedoch vor allem neue Reaktionswege und erhöhte Produktionsraten im Labormaßstab, eine großtechnische Anwendung ist damit noch nicht gezeigt.