Ein Schritt auf künstliche Photosynthese zu

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Mittels Silber-Wolfram-Katalysatoren

Nicht nur koreanische Forscher arbeiten daran, die künstliche Photosynthese in die Realität umsetzen, um Kohlenstoffneutralität oder einen Netto-Null-Kohlenstoffemissionswert zu erreichen. Die künstliche Photosynthese ahmt die natürliche nach, indem sie Energie des Sonnenlichts zur Umwandlung von Kohlendioxid in hochwertige Verbindungen wie Ethylen, Methanol und Ethanol nutzt. Nun hat ein Forscherteam aus Seoul unter dem Titel: „W@Ag-Dendriten als effizienter und dauerhafter Elektrokatalysator für die Umwandlung von Sonnenenergie in CO unter Verwendung eines skalierbaren photovoltaisch-elektrochemischen Systems“ ein Zwischenergebnis in Applied Catalysis B: Environmental publiziert (open access).

Das Team unter Leitung von Hyung Suk Oh und Woong Hee Lee (Clean Energy Research Center am Korea Institute of Science and Technology) entwickelte in Zusammenarbeit mit Jae Soo Yoo (Kyung Hee University) verzweigte Wolfram-Silber-Katalysatorelektroden in Nanometergröße, die Kohlenmonoxid in hoher Ausbeute aus dem elektrochemischen Kohlendioxid-Umwandlungssystem gewinnen können. Diese können auch für die Kombination des Kohlendioxid-Umwandlungssystems mit Silizium-Solarzellen verwendet werden, um ein groß angelegtes künstliches Photosynthesesystem zu erhalten, das in einer realen Sonnenumgebung betrieben werden kann.

Kohlenstoffgestützter 3D-Silberdendrit-Katalysator auf Wolframkernbasis mit reichlich Nanokorngrenzen, der eine verbesserte CO2-Reduktionsleistung und -Stabilität aufweist. Die 3D-Dendriten verbessern den CO2-Massentransfer, während die reichlich vorhandenen Korngrenzen die AgxCyOz-Schicht antreiben, was aufgrund der starken lokalen elektrischen Felder zu einer hervorragenden CO2R-Katalyse führt. In einem eigenständigen photovoltaisch-elektrochemischen System erreichten wir einen Solar-zu-CO-Wirkungsgrad von 12,1 % bei 1 A – BY-NC-ND 4.0 – Grafik © sciencedirect.com

Highlights des Artikels

  • Ein 3D-Silberdendrit auf Wolframkern-Basis (W@AgD) wurde für die elektrochemische Reduktion von CO2 zu CO hergestellt.
  • Die W@AgD-Elektrode erreichte in einem Zero-Gap-Elektrolyseur eine CO-Teilstromdichte von 400 mA/cm2 und eine CO2-zu-CO-Umwandlungseffizienz von 32,3 %.
  • Die W@AgD-Elektrode im Null-Lücken-Elektrolyseur erreichte eine CO-Teilstromdichte von 400 mA/cm2 und einen CO2-zu-CO-Wirkungsgrad von 32,3 %.
  • Die CO FE von 90 % bei einer Stromdichte von 150 mAcm2 wurde 100 Stunden lang stabil gehalten.
  • In einem autonomen photovoltaisch-elektrochemischen System mit 120 cm2 zeigte W@AgD einen Wirkungsgrad von 12,1 % bei 1 A.

Zusammenfassung

Die elektrochemische Umwandlung von CO2 in CO mit Hilfe von Sonnenenergie ist die effizienteste Technik der künstlichen Photosynthese. Es gibt jedoch noch viele Herausforderungen, darunter die Realisierung von Großsystemen mit hoher Stromdichte und Stabilität. In diesem Artikel berichten wir über einen kohlenstoffgestützten 3D-Silberdendriten-Katalysator auf Wolframkernbasis (W@AgD) mit zahlreichen Nanokorngrenzen, der eine verbesserte CO2-Reduktionsleistung und Stabilität aufweist. In einem CO2-Elektrolyseur mit Null-Lücke zeigte W@AgD eine hervorragende katalytische Aktivität mit einer maximalen CO-Teilstromdichte von 400 mA/cm2 und einem stabilen Betrieb für 100 Stunden bei 150 mA/cm2. Die 3D-Dendriten verbessern den CO2-Massentransfer, während die reichlich vorhandenen Korngrenzen die AgxCyOz-Schicht nach der Aktivierung in die Nähe der Oberfläche treiben, was aufgrund der starken lokalen elektrischen Felder zu einer hervorragenden katalytischen CO2R-Aktivität führt. In einem eigenständigen photovoltaisch-elektrochemischen System erreichten wir einen Solar-zu-CO-Wirkungsgrad von 12,1 % bei 1 A. Somit sind der synthetisierte Katalysator und das System für eine effiziente Speicherung von Solarenergie geeignet.

Die elektrochemische Umwandlung von Solarenergie in nützliche Chemikalien ist von entscheidender Bedeutung für die Gewährleistung sauberer und nachhaltiger Energiequellen für die Gesellschaft in der Zukunft. Solarzellen können durch die elektrochemische Umwandlung von CO2 in verschiedene Chemikalien Strom ohne Umweltverschmutzung erzeugen. Im Vergleich zu anderen elektrochemischen Reaktionen ist die Kohlendioxid-Reduktionsreaktion (CO2-RR)ein umweltfreundlicher Ansatz, bei dem nützliche Kohlenwasserstoffe wie Kohlenmonoxid, Formiate, Ethylen usw. und Ethanol erzeugt und das verbrauchte CO2 entfernt wird. Aufgrund der relativ stabilen Eigenschaften von CO2 und der mit der CO2RR verbundenen Nebenreaktionen ist sie stark von der Reaktionsumgebung abhängig. Bei herkömmlichen Studien zur CO2RR wurden H-Zellen in flüssiger Phase und ein CO2-gesättigter Elektrolyt verwendet. Die geringe Löslichkeit von CO2 im flüssigen Elektrolyten schränkt jedoch den Stoffaustausch ein, was zu einer niedrigen Stromdichte führt-  ein wesentliches Hindernis für die Kommerzialisierung der CO2RR. Um sicherzustellen, dass die der CO2RR entsprechende Stromdichte für industrielle Anwendungen geeignet ist, wurden zwei Arten von gasgespeisten CO2RR-Elektrolyseuren mit Gasdiffusionsschichtelektroden (GDL) vorgeschlagen. Bei der ersten Art von CO2RR-Geräten wird ein flüssiger Elektrolyt mit einer GDL verwendet. Der flüssige Elektrolyt steuert die Kathodenbedingungen, wie z. B. den pH-Wert und die Anionenkonzentration, was zu einer hohen CO2RR-Leistung führt.

Sargent und Mitarbeiter entwickelten eine Katalysator-Ionomer-Heteroübergangsstruktur und berichteten über eine CO2RR-Stromdichte von mehr als 1 A/cm2. Der zweite Typ von CO2RR-Geräten sind Null-Lücke-CO2-Elektrolyseure, die eine Anionenaustauschmembran (AEM) und befeuchtetes CO2-Gas verwenden. Die AEM leitet Hydroxid- und Karbonationen und bietet damit gute Voraussetzungen für die CO2RR. Diese CO2-Elektrolyseure mit Null-Lücke sind die meistversprechenden Systeme, da sie mehrere Vorteile aufweisen. Dazu gehören der extrem niedrige ohmsche Widerstand, die skalierbare und stapelbare Struktur und die kommerzielle Verwendbarkeit, wie die Verwendung eines Systems aus Brennstoffzelle und Wasserelektrolyseur bestätigt….

->Quellen: