Nanosilber als Elektrokatalysator für die CO₂-Verwertung

Die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid (CO₂) zu Kohlenmonoxid (CO) bietet einen nachhaltigen Syntheseweg für Plattformchemikalien und E-Fuels. Als Ausgangsstoff dient CO zusammen mit Wasserstoff (H₂) zur Formulierung von Synthesegas, das folgend katalytisch zu Liquefied Fuel Gas (LFG) – primär bestehend aus Propan (C₃H₆) und Butan (C₄H₁₀) – verarbeitet werden kann. Unter Nutzung regenerativer Elektroenergie erlaubt dieser Ansatz einen geschlossenen Kohlenstoffkreislauf. Im Rahmen des GreenQUEST-Projekts erforscht ein internationales Konsortium um Dr. Prashanth Menezes vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) in Kooperation mit südafrikanischen Partnerinstitutionen diese Technologie. Ziel ist die Erschließung eines dezentralen, nachhaltigen Kochbrennstoffs (gLFG) als Emissionsersatz für fossile Energieträger und Holz in ländlichen Regionen.

Optimierung der Nanostruktur und Katalysatordynamik an der Silber-Kathode

Zur Steigerung der Faradaic Efficiency und der energetischen Effizienz untersuchte das Team systematisch kathodische Katalysatorschichten aus Silber-Nanopartikeln, gelagert auf einem Kohlenstoff-Gasdiffusionsträger. Dabei wurden sowohl die Partikelgröße als auch die Massenbelegung variiert. „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“, sagt Dr. Niklas Hausmann.

Die elektrochemische Evaluierung identifizierte ein Optimum bei Silber-Nanopartikeln mit einem mittleren Durchmesser von ca. 10 nm und einer geringen Belegungsdichte von 0,2 mg pro Quadratzentimeter Elektrode auf dem Kohlenstoffsubstrat.

Anodische Paarreaktion zur Senkung der Zellspannung

Zur Erhöhung der Gesamtwirtschaftlichkeit ersetzten die Forschenden die anodische Sauerstoffentwicklungsreaktion, welche durch hohe Überpotenziale und ein kommerziell wenig relevantes Produkt gekennzeichnet ist, durch eine gepaarte Aldehyd-Oxidationsreaktion. Durch Zufuhr von Aldehyden in den Anolyten sank die Zellspannung. Damit sank auch der Energiebedarf des Gesamtsystems um mehr als 30 %. Parallel entstehen anodisch wertvolle Carbonsäuren wie Ameisensäure sowie molekularer Wasserstoff. In Langzeittestungen zeigte der optimierte Silbernanopartikel-Katalysator über eine Standzeit von 100 Stunden eine Selektivität mit einer faradaischen Effizienz von nahezu 100 % für CO. Post-mortem-Analysen mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie bestätigten die elektronische und chemische Stabilität der aktiven Silberpartikel unter operando-Bedingungen.

„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 Menezes.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (09/2026)