Electrochemical CO2 reduction

Kriescher, Stefanie M. A.; Wessling, Matthias (Thesis advisor); Eichel, Rüdiger-Albert (Thesis advisor)

Aachen (2015, 2016)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Die Konzentration von CO2 in der Atmosphäre ist in den letzten zwei Jahrhunderten signifikant angestiegen. CO2 gilt als einer der größten Verursacher des Treibhauseffektes und der daraus resultierenden Erderwärmung. Es ist daher von großem Interesse, die Konzentration zu stabilisieren und/oder zu verringern. Abgesehen von den gesetzlichen Vorgaben für die Menge an emittiertem CO2, sind Kohlendioxidabscheidung und -speicherung sowie biologische und chemische Umwandlung Wege zur Stabilisierung und/oder Verringerung der atmosphärischen Konzentration von CO2. In der vorliegenden Dissertation werden Ergebnisse zur elektrochemischen Reduktion von CO2 vorgestellt. Die Reduktion von CO2 kann in einem elektrochemischen Membranreaktor (ecMR) durchgeführt werden. Ein ecMR besteht aus zwei Halbzellen, die durch eine Polymer-Elektrolyt-Membran getrennt werden. Ein elektrisches Potential wird als treibende Kraft für die Reaktion angelegt. Die Produktion von Protonen durch die Elektrolyse vonWasser findet am Anodenkatalysator statt. Die Protonen diffundieren durch eine Kationenaustauschermembran, wobei die Elektronen über den externen Stromkreis zur Kathode transportiert werden. Dabei wird CO2(g) zu den gewünschten Kohlenwasserstoffprodukten reduziert. Die unerwünschte Entstehung von H2 ist die Hauptnebenreaktion. Laut Literatur ist Cu das vielversprechendste Katalysatormaterial, wenn der Fokus auf der Produktion von Kohlenwasserstoffen liegt. Der Cu Kathodenkatalysator wurde mittels galvanischer Abscheidung von Cu auf 3D-strukturiertem Edelstahlgewebe hergestellt. Um eine dünne und gleichförmige Cu Schicht auf dem Edelstahlgewebe zu erhalten, musste die Kupferabscheidung bei der Grenzstromdichte erfolgen. Bei höherer Temperatur und/oder Drehgeschwindigkeit des Substrates kommt es zu einer Erhöhung der Grenzstromdichte. Die elektrochemischen Experimente zur Reduktion von CO2 wurden in einem G-G und G-L ecMR durchgeführt. Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) wurden bei gasförmigen Reaktionspartnern angewendet. Eine MEA zeichnet sich durch eine so genannte Dreiphasen-Grenzfläche aus. An dieser Grenzfläche stehen der Elektrokatalysator, das Ionomer/Elektrolyt und die Edukte in intensivem Kontakt. Im G-G ecMR wurde eine doppelseitige MEA bestehend aus Kupfergewebekathode und Titangewebeanode benutzt, welche von einer protonenleitenden Membran getrennt wurden. Die Anode wurde mit einem Iridium Misch-Metall-Oxid (IrMMO) Katalysator beschichtet, der eine hohe Aktivität für die Sauerstoff-Entwicklungs-Reaktion (OER) aufweist. Im G-L ecMR wurde eine einseitige MEA genutzt, die nur aus der Kupferkathode und der Kationenaustauschermembran bestand. Die Produktion von Kohlenwasserstoffen mit geringer Stromeffizienz ist in beiden Reaktortypen möglich. Der Hauptunterschied ist, dass die im G-L ecMR durchgeführten Experimente keine Grenzstromdichte zeigen, wie es der Fall für Experimente im G-G ecMR ist. Ein möglicher Grund für das Fehlen der Grenzstromdichte ist die Leitfähigkeit der Membran, die bei höherer relativer Feuchte zunimmt. Neben der experimentellen Arbeit wurde die elektrochemische CO2 Reduktion in einem G-L ecMR modelliert in Aspen+. Des Weiteren wurden die Aktivität und Stabilität eines neuartigen Pt/Ir/V Katalysators für die OER in saurer Umgebung getestet. Die Überspannung von Pt/Ir Katalysatoren für die OER bei 2 mA/cm2 steigt erwartungsgemäß mit zunehmendem Ir Gehalt bei allen untersuchten Temperaturen an. Die V enthaltenden Katalysatoren werden während der Stabilitätsmessungen deaktiviert. Die Pt/Ir Katalysatoren zeigten die größte Aktivität bei der ORR.

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