Elektrokatalytische Herstellung von Synthesegas

Eine große Zahl von Produkten wird im Rahmen komplexer, aufeinander aufgebauter Verfahren aus Basischemikalien hergestellt, die heute in großen Mengen aus Kohle bzw. anderen fossilen Brennstoffen gewonnen werden. Der Bedarf, chemische Produkte auf eine nachhaltige Rohstoffbasis umzustellen, wird es jedoch zukünftig erfordern, CO₂ als Kohlenstoffträger und Erdölalternative zu erschließen.¹ Bei der Integration neuer Rohstoffe in die chemische Produktion kommt es dann darauf an, dass die hergestellten Basischemikalien in die erdöl- und kohlebasierten Produktionsstrukturen der chemischen Industrie integrierbar sind und nicht vollkommen neue Synthese-/Produktlinien erfordern. Vor diesem Hintergrund ist die Herstellung von Synthesegasen besonders interessant, da sie neben ihrer Verwendung für andere Produkte auch als Ausgangsstoff für Spezialchemikalien und Treibstoffe oder Treibstoffzusätze verwendet werden können. Um CO₂ als Rohstoff sinnvoll zu verwenden, muss aber für dessen chemische Umsetzung regenerative Energie eingesetzt werden.

Die im Januar 2019 beschlossene Strategie der „Kohlekomission“ bis 2038 macht es zwingend erforderlich, neuartige Technologien jenseits von Kohle und Öl zu etablieren bzw. überhaupt erst einmal zu erforschen. Besonders das Rheinische Braunkohlerevier wird diesen Strukturwandel intensiv zu spüren bekommen und ist auf Alternativen zur Kohle angewiesen. Hier bietet sich vor allem CO₂ als Kohlenstoffäquivalent an, welches sowohl in der Übergangszeit ausreichend von Kohlekraftwerken aber auch langfristig von Biogasanlagen, die im Rheinischen Braunkohlerevier angesiedelt sind, zur Verfügung steht.

Die vorliegenden Konzepte zur Nutzung von CO₂ als Rohstoff (Power2X) sehen im ersten Schritt üblicherweise die Herstellung von Wasserstoff mit regenerativem Strom durch einen Elektrolyseprozess vor, der in einem nachfolgenden Schritt über ein thermochemisches Verfahren mit CO₂ umgesetzt wird. Dabei wird regenerative elektrische Energie als chemische Energie in CO und Wasserstoff gespeichert. Somit werden ebenfalls geschlossene Kohlenstoffkreisläufe gewährleistet.

Wir konnten kürzlich zeigen, dass Synthesegasgemische gezielt unter Anwendung eines sulfidischen Elektrokatalysators, Fe_4.5Ni_4.5S₈, hergestellt werden kann.² Die Zusammensetzung des Synthesegases kann hierbei gezielt durch den Anteil von Wasser in der Elektrolysezelle gesteuert werden. Im Gegensatz zu konventionellen Cu-basierten Materialien, weisen die sulfidischen Materialien eine hohe Beständigkeit gegenüber Katalysatorgiften und eine hohe Langzeitbeständigkeit auf und können somit direkt in CO₂-reichen Abgasströmen eingesetzt werden.

Aufgabe

Die vielversprechenden Leistungskenndaten der sulfidischen Materialien machen eine nähere Betrachtungsweise der Materialien für ihren Einsatz in der elektrochemischen CO₂ Reduktion möglich. Besonders Gasdiffusionselektroden können hier von großem Nutzen sein. Gasdiffusionselektroden sind poröse Elektroden, in denen Gase mit einem elektronenleitenden, ggf. Katalysator-aktivierten Festkörper und einer Elektrolytlösung in Kontakt stehen und umgesetzt werden. Charakteristisch für Gasdiffusionselektroden ist, dass im Reaktionsbereich feste, flüssige und gasförmige Phasen nebenei- nander vorliegen. Durch den angelegten CO₂ Druck kann somit auch der Wassergehalt am Katalysator eingestellt werden. Mit Gasdiffusionselektroden können grundsätzlich hohe Stromdichten von 200-600 mA/cm² erreicht werden, die mit typischen Stromdichten in Alkali- und PEM Elektrolyseuren für die H₂-Erzeugung vergleichbar sind. Daher sollen in der hier geplanten Doktorarbeit sulfidische Materialien in Gasdiffusionselektroden integriert werden. Ein Hauptpunkt liegt hierbei an der Parametrisierung der Prozessparameter zur Herstellung und Anwendung dieser Elektroden in der Synthesegasherstellung. Dabei soll u.a. die Elektrodenzusammensetzung, die Druck- und Temperaturabhängigkeit der Elektrolyse untersucht werden. Daraus können allgemeine Aussagen zur Herstellung von stabilen Gasdiffusionselektroden gewonnen werden, welche nach heutigem Stand der Technik kaum untersucht sind, jedoch einen wichtigen Schritt zur katalytischen Synthesegasherstellung darstellen.