CO2SimO: Photoelektrochemische CO2-Reduktion bei Simultaner Oxidativer Wertstoffgewinnung

Hintergrund

In der heutigen Zeit wird das Augenmerk immer mehr auf den globalen Klimaschutz und erneuerbare Energien gelegt. Durch den Wandel der Energiewirtschaft ist es möglich die Auswirkungen der globalen Erwärmung zu mildern und den steigenden Energiebedarf zu decken. Kohlenstoffdioxid (CO₂) ist ein Treibhausgas, welches unter anderem  durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht und maßgeblich an der globalen Erwärmung beteiligt ist. In den letzten Jahren ist das Interesse an der Umwandlung von CO₂ zu nutzbaren Brennstoffen stark angestiegen. Die photokatalytische Gewinnung von Methan aus CO₂ kann einen wichtigen Beitrag zur künftigen Energiegewinnung leisten.

Durch die photokatalytische Umwandlung von CO­₂ an einer Gasdiffusionsphotoelektrode (Kathode) kann die CO₂-Emission verringert werden und schon vorhandenes CO₂ regenerativ in einen Energieträger (z.B Methan) umgewandelt werden (Abb. 1). Der Vorteil dieser Methode gegenüber konventioneller Photovoltaik ist, dass die absorbierte Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird, welche gut speicherbar ist.

Um einen nennenswerten Effekt auf die Gesamt-CO₂-Emissionen zu haben, muss ein Prozess auch aus ökonomischer Sicht tragfähig sein. Aufgrund des extrem niedrigen Preisniveaus für (fossile) Brennstoffe und CO₂-Emissionsrechte ist dies nicht nur für photochemische sondern für alle Prozesse zur Erzeugung von synthetischen Brennstoffen aus CO₂ aktuell nicht der Fall. Die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses kann jedoch bedeutend aufgewertet werden, wenn neben dem synthetischen Brennstoff auf der Kathodenseite, auf der Anodenseite ein zusätzliches werthaltiges Produkt erzeugt wird (Abb. 1). Das Ziel an der Anodenseite ist die Entwicklung einer solar betriebenen photoelektrochemischen Reaktionszelle, in der Wasser zu verwertbarem H₂O₂ oder anderen technisch nutzbaren Peroxiden oxidiert und gleichzeitig CO₂ zu CO und Methan mit Hilfe geeigneter Photokatalysatoren reduziert wird. Zusätzlich zur Reaktionszelle wird noch ein Methanisator zur Aufwertung des an der Photokathode entstehenden Gasstroms angebracht.

Abbildung 1. Aufbau und Funktionsweise der geplanten photoelektrochemischen Reaktionszelle.

Teilprojekt der BMBF-Förderrichtlinie: „CO2 als nachhaltige Kohlenstoffquelle – Wege zur industriellen Nutzung (CO2-WIN)“