$CO_{2}$ Reduction in Electrochemical Membrane Reactors

  • $CO_{2}$ Reduktion in elektrochemischen Membranreaktoren

Vennekötter, Jan-Bernd; Wessling, Matthias (Thesis advisor); Eichel, Rüdiger-A. (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Die elektrochemische Kohlenstoffdioxid (CO2)-Reduktion ermöglicht es erneuerbare kohlenstoffbasierte Plattformchemikalien zu synthetisieren, indem regenerativer Strom als treibende Kraft für elektrochemische Aktivierung von CO2 genutzt wird. Dadurch können fossile Ressourcen in der chemischen Industrie ersetzt und elektrische Überschussenergien sinnvoll genutzt bzw. gespeichert werden. In dieser Arbeit wird in einem ersten Schritt gezeigt, dass industrierelevante Stromdichten mit hohen Selektivitäten und hohen energetischen Wirkungsgraden nur erreicht werden können, wenn man über die heutige Forschung hinausgeht welche sich größten Teils auf die Katalysatorsynthese allein fokussiert. Ein integriertes Reaktordesign ist erforderlich, um das volle Potenzial von elektrochemischen CO2-Reduktionskatalysatoren auszuschöpfen. Langfristig stabile Betriebsstrategien für die Elektrolyt- als auch Reaktorwahl werden in einem zweiten Schritt dieser Arbeit definiert. Die Notwendigkeit eines tieferen Verständnisses von Grenzflächenphänomenen zwischen Elektrode und Elektrolyt, um die elektrochemische Reduktion auf einen maximalen energetischen Wirkungsgrad zu bringen, wird hierbei unterstrichen. Die Komplexität eines energetisch effizienten Reduktionsprozesses wird im letzten Teil dieser Arbeit hervorgehoben. Gleichzeitig wird hierbei deutlich welches Potenzial die elektrochemische CO2-Reduktion bietet um höhere Anteile erneuerbarer Energien in bestehende Produktionsprozesse zu integrieren. Obwohl der Schwerpunkt dieser Arbeit auf elektrochemischen Kleinmembranreaktoren liegt, wird ein klarer Leitfaden für die Weiterentwicklung dieser Technologie hin zum industriellen Maßstab gegeben. Um die Integration und die gegenseitigen Einflüsse verschiedener Betriebsstrategien besser evaluieren zu können, ist eine simulative Evaluierung in rigorosen Prozessmodellen erforderlich. Optimale Betriebsstrategien für die jeweiligen unterschiedlichen Rahmenbedingungen können so gefunden werden.

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