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Silbernanopartikel machen die CO₂-Elektrolyse effizienter
Silbernanopartikel können Kohlendioxid besonders selektiv in Kohlenmonoxid umwandeln, wenn Größe und Beladung der Elektrode stimmen. In einer Laborzelle erreichten etwa zehn Nanometer große Partikel auf Kohlenstoff bei 100 Milliampere pro Quadratzentimeter 99,6 Prozent faradaische Effizienz. Dieselbe Elektrode ließ sich zudem für eine gekoppelte Reaktion nutzen, die an der Gegenelektrode Formiat und Wasserstoff erzeugt und die benötigte Zellspannung deutlich senkt.
Berlin (Deutschland). Kohlendioxid lässt sich elektrochemisch zu Kohlenmonoxid umwandeln, das gemeinsam mit Wasserstoff als Synthesegas für Kraftstoffe und chemische Rohstoffe dienen kann. Entscheidend dafür ist ein Katalysator, der möglichst viele Elektronen in die gewünschte CO-Bildung lenkt und die konkurrierende Wasserstoffentwicklung begrenzt.
Silber eignet sich dafür grundsätzlich gut, doch seine Leistung hängt stark von der Größe und Verteilung der katalytisch aktiven Partikel ab. Sehr kleine Partikel fördern stärker die Wasserstoffbildung, während bei größeren Partikeln ein wachsender Anteil des Metalls kaum noch zur Reaktion beiträgt. Deshalb suchte das Team nach einem Größen- und Beladungsbereich, in dem beide Nachteile möglichst klein sind.
Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB) um Dr. Prashanth W. Menezes haben dafür Silbernanopartikel mit mittleren Durchmessern von sechs, acht, zehn und 15 Nanometern hergestellt und in einer Durchflusszelle getestet. Als beste Kombination erwiesen sich etwa zehn Nanometer große Partikel, die mit 20 Massenprozent Silber auf leitfähigem Kohlenstoff verteilt waren. Die aktive Silbermenge lag dabei bei rund 0,2 Milligramm pro Quadratzentimeter Elektrode.
„Wir wussten bereits, dass zu kleine Nanopartikel die Wasserstoffentwicklung fördern, was die Ausbeute an Kohlenmonoxid verringert. Umgekehrt sind zu große Nanopartikel katalytisch weniger wirksam, wir wollten also das Optimum ermitteln“, erklärt Dr. Jan Niklas Hausmann vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB).
Bei einer Stromdichte von minus 100 Milliampere pro Quadratzentimeter erreichte die optimierte Elektrode 99,6 Prozent faradaische Effizienz für Kohlenmonoxid. Bei minus 200 Milliampere pro Quadratzentimeter waren es 98,4 Prozent. Erst bei deutlich höheren Stromdichten nahm die Selektivität stärker ab, was die Autoren als praktische Grenze des untersuchten Aufbaus werten.
Messungen während der Reaktion deuten darauf hin, dass der Kohlenstoffträger nicht nur die Silberpartikel verteilt. Wechselwirkungen zwischen Silber und Kohlenstoff stabilisieren demnach ein wichtiges CO₂-Zwischenprodukt und begünstigen dadurch die Bildung von Kohlenmonoxid. In einem 100-Stunden-Test bei minus 100 Milliampere pro Quadratzentimeter blieb die CO-Selektivität im Mittel bei etwa 90 Prozent.
Die Forscher nutzten die optimierte Silber-Kohlenstoff-Elektrode anschließend auch an der Anode. Dort ersetzten sie die übliche Sauerstoffentwicklung durch die Oxidation von Formaldehyd in stark alkalischer Lösung. Während an der Kathode weiterhin Kohlenmonoxid entstand, bildeten sich an der Anode Formiat und Wasserstoff. Die Studie berichtet gegenüber der Sauerstoffentwicklung von einer um mehr als 40 Prozent verringerten Zellspannung.
„Wenn wir die CO-Produktion mit der Wasserstofferzeugung und der gleichzeitigen Bildung weiterer wertschöpfender Chemikalien wie Ameisensäure kombinieren, können wir den Gesamtwert des elektrochemischen Prozesses steigern. Das CO und der Wasserstoff können für die anschließende Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe und Chemikalien genutzt werden“, sagt Dr. Prashanth W. Menezes.
In einem weiteren Dauertest lief diese gekoppelte Elektrolyse bei minus 60 Milliampere pro Quadratzentimeter 23 Stunden lang. Die Zellspannung blieb dabei ungefähr bei minus 2,0 Volt, während die Produktivitäten von Kohlenmonoxid und Formiat nur leicht zurückgingen. Für diesen Versuch wurden die Elektrolytlösungen stündlich erneuert