Plasma und Strom wandeln CO₂ in wertvolle Chemikalien um

Kohlendioxid gilt unter Chemikern als hartnäckiges Molekül. Die starken Bindungen zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff machen das Treibhausgas stabil, aber genau diese Stabilität erschwert seine Umwandlung in wertvollere Stoffe. Elektrokatalyse, bei der Strom und ein Katalysator die Reaktion antreiben, kann CO₂ zwar in einfache Chemikalien überführen. Verbindungen mit drei oder mehr Kohlenstoffatomen bleiben auf einer Kupferelektrode dagegen schwer zugänglich. Ein internationales Team hat nun einen Weg gefunden, diese Grenze zu verschieben.

Plasma aktiviert das Gas, bevor es den Katalysator erreicht

Forscher:innen der University of Antwerp um Prof. Annemie Bogaerts haben gemeinsam mit Kolleg:innen der Yale University eine Plattform entwickelt, die Elektrokatalyse mit nichtthermischem Plasma koppelt. Ein solches Plasma besteht aus einem Gas mit energiereichen Elektronen und aktiviert CO₂ oder Kohlenmonoxid, bevor die Moleküle auf den Kupferkatalysator treffen. Das aktivierte Gas gelangt dabei direkt zu einer porösen Kupfer-Gasdiffusionselektrode. Kurzlebige, reaktive Plasmaspezies erreichen den Katalysator so, ohne vorher in der Elektrolytlösung abgefangen zu werden. Den Schlüssel dazu bildet eine Drei-Phasen-Grenzfläche aus Gas, Flüssigkeit und Feststoff: Eine dünne Kupferschicht trennt das Plasma von der Flüssigkeit, während aktivierte Gasteilchen bis zur Katalysatoroberfläche vordringen und dort mit Protonen aus dem Wasser reagieren.

Methanol und Butan aus Reaktionswegen jenseits der reinen Elektrokatalyse

Das Ergebnis überraschte selbst die beteiligten Forscher:innen. Bei reiner Elektrokatalyse bleiben komplexere Produkte weitgehend aus, mit Plasmaaktivierung entstanden dagegen Methanol, Acetylen, Ethan, Propan, Butan und Butanol. Yale-Professorin Lea R. Winter beschreibt den Effekt so: Das Plasma öffnet Reaktionswege, die zu Produkten wie Methanol und Butan führen, welche die Elektrokatalyse allein nicht hervorbringt. Beim gemeinsamen Einspeisen von CO₂ und Kohlenmonoxid stieg die Produktivität von Verbindungen mit mindestens drei Kohlenstoffatomen um den Faktor 3,3 gegenüber der reinen Elektrokatalyse, die Produktivität von Alkoholen um den Faktor 1,5.

Angeregte Moleküle öffnen neue Zwischenschritte

Simulationen, Experimente und Messungen direkt an der arbeitenden Elektrode geben Hinweise auf die Ursache. Schwingungsangeregte Moleküle und Kohlenstoffsuboxid, C₃O₂, scheinen eine zentrale Rolle zu spielen. Sie lassen auf Kupfer andere Zwischenprodukte entstehen oder sich anreichern und öffnen damit Reaktionswege, die ohne Plasma kaum zugänglich sind. Winter beschreibt die eigentliche Herausforderung des Projekts: Das Team musste erst herausfinden, wie sich Plasma so wirksam mit dem Katalysator koppeln lässt, dass die plasmaangeregten Spezies tatsächlich an den katalytischen Reaktionen teilnehmen.

Vom Laboraufbau zu maßgeschneiderten Katalysatoren

Die Kombination arbeitet bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur, was den Aufbau für eine flexible, strombasierte Chemie interessant macht. Bislang zeigt die Studie neue Reaktionswege und höhere Produktionsraten im Labormaßstab, eine großtechnische Anwendung steht noch aus. Als nächsten Schritt wollen die Forscher:innen die Katalysatoren gezielt an die plasmaaktivierten Ausgangsstoffe anpassen, statt einen bekannten Kupferkatalysator lediglich mit Plasma zu kombinieren. Ziel sind Oberflächen, die bestimmte Reaktionswege und hochwertige Produkte gezielt bevorzugen. Die zugrunde liegende Technik ist bereits Gegenstand einer Patentanmeldung der Yale University, in der Ji-Yong Kim und Lea R. Winter als Miterfinder der Plasma-Elektrokatalyse-Durchflusszelle genannt sind.

via Yale University

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