05.08.2026

Umwandlung von CO₂ in wertvolle Chemikalien

Mit dem Ziel, die integrierte Kohlenstoffabscheidung und elektrochemische Umwandlung voranzutreiben, haben Forschende der Abteilung Interface Science des Fritz-Haber-Instituts untersucht, wie die Konzentration von KHCO₃, einem typischen CO₂-Abscheidungsmedium, die elektrochemische Umwandlung von CO₂ an Kupfer in einem membrane-electrode-assembly (MEA) Elektrolyseur steuert.

Dr. Hou und ihre Kollegen aus der Abteilung von Direktorin Beatriz Roldán fanden heraus, dass bei der Bicarbonat-Elektrolyse ein konzentrierteres Abscheidungsmedium nicht zwangsläufig zu einer besseren Leistung führt. Stattdessen folgt die Reaktion einer vulkanförmigen Abhängigkeit von der KHCO₃-Konzentration.

Mit einer eigens entwickelten Operando-Raman-Elektrolysezelle konnte das Team zeigen, dass eine verdünnte Elektrolytzufuhr die In-situ-CO₂-Versorgung begrenzt, während konzentriertes Bicarbonat durch konkurrierende Anionenadsorption aktive Zentren blockiert. Die Arbeit identifiziert die Elektrolytkonzentration als präzisen Designparameter für die direkte Kopplung von CO₂-Abscheidungsströmen mit der elektrochemischen Umwandlung.

Bicarbonat als Ausgangsstoff für integrierte Kohlenstoffabscheidung und -umwandlung

Alkalische Kohlenstoffabscheidungsprozesse speichern CO₂ hauptsächlich als (Bi)carbonat in wässriger Lösung. Die direkte Bicarbonat-Elektrolyse könnte diesen abgeschiedenen Kohlenstoff umwandeln, ohne CO₂ zuvor als Gas freizusetzen, zu komprimieren und zu transportieren.

Die meisten Bicarbonat-Elektrolyseure wurden jedoch bislang mit stark konzentrierten Elektrolyten untersucht, typischerweise 2 - 3 M KHCO₃, während praktische Abscheidungsströme in der Regel deutlich verdünnter sind. Das Verständnis der Rolle der Elektrolytkonzentration ist daher ein kritischer Systemparameter, da sie sowohl die Versorgung mit in situ erzeugtem CO₂ als auch die chemische Umgebung an der Katalysatoroberfläche steuert.

Eine eigens entwickelte Operando-Plattform

Um diese gekoppelten Effekte in einem realen Gerät zu untersuchen, entwickelten die Forschenden am FHI eine Zero-Gap-Operando-Raman-Zelle vom MEA-Typ. Die Raman-Zelle behält die wesentliche Membran-Elektroden-Konfiguration bei und ermöglicht gleichzeitig optischen Zugang zur Cu/Elektrolyt-Grenzfläche. Dies erlaubte es dem Team, (Bi)carbonat-Spezies, *CO-Zwischenprodukte und den lokalen pH-Wert während der Elektrolyse zu beobachten, wodurch ein mechanistisches Verständnis dieses wichtigen Prozesses gewonnen werden konnte.

Eine höhere Bicarbonat-Konzentration ist nicht immer von Vorteil

Bei 400 mA cm^-2 wurde die höchste Bicarbonat-Elektroreduktionsleistung mit 0,5 M KHCO₃ erzielt. Die gesamte Faraday-Effizienz für die In-situ-CO₂-Reduktionsprodukte erreichte etwa 40 %, was einer partiellen Stromdichte von ~160 mA cm^-2 entspricht. Dieser Wert war viermal höher als der mit 3 M KHCO₃ erzielte, während sich die Zellspannung um weniger als 0,2 V unterschied.

Die daraus resultierende vulkanförmige Konzentrationsabhängigkeit hat zwei unterschiedliche Ursachen. Bei niedriger Konzentration reicht der Bicarbonat-Massentransport nicht aus, um die erforderliche In-situ-CO₂-Versorgung aufrechtzuerhalten. Bei hoher Konzentration zeigte die Operando-Raman-Spektroskopie verstärkte (Bi)carbonat-Signale an der Grenzfläche zusammen mit einer unterdrückten *CO-Adsorption.

Diese Ergebnisse zeigen, dass stark adsorbierte (Bi)carbonat-Spezies mit *CO um aktive Oberflächenzentren konkurrieren. Diese Konkurrenz begrenzt die Adsorption eines zentralen Zwischenprodukts, CO, sowie die weitere C-C-Kopplung, während die größere Verfügbarkeit Bicarbonat-basierter Protonendonoren zusätzlich die Wasserstoffentwicklung begünstigt. Kontrollexperimente zeigten zudem, dass weder die Kaliumionen-Konzentration noch der puffergesteuerte lokale pH-Wert die primären Ursachen für den beobachteten Leistungstrend waren. Die optimale Konzentration verschob sich zudem mit der Stromdichte, was zeigt, dass die Bicarbonat-Versorgung an den Protonenfluss und die Betriebslast des Elektrolyseurs angepasst werden muss.

Fazit

Die Studie stellt eine direkte Designregel für die integrierte CO₂-Abscheidung und elektrochemische Umwandlung auf: Die Bicarbonat-Konzentration muss an den Betriebsstrom angepasst und nicht einfach maximiert werden.

Eine moderate Konzentration liefert ausreichend in situ-CO₂, während gleichzeitig aktive Oberflächenzentren für die *CO-Adsorption und die anschließende C-C-Kopplung erhalten bleiben. Durch die Kombination von Leistungsmessungen auf Geräteebene mit einer eigens entwickelten Operando-Raman-Plattform mit Elektrolyseur vom MEA-Typ konnten die Forschenden den Reaktionsmechanismus an der funktionalen Grenzfläche identifizieren und damit eine praktische Grundlage für die Entwicklung von besseren Elektrolyseuren zur Umwandlung von CO₂-Abscheidungsströmen in Chemikalien legen.

» Originalpublikation

Quelle: Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft