Neutronen-Bildgebung enthüllt Optimierungspotenziale für die CO₂-Umwandlung
Hochpräzise Untersuchung unter realistischen Betriebsbedingungen
Das klimaschädliche Treibhausgas Kohlenstoffdioxid, kurz CO₂, kann durch eine elektrochemische Reduktion – die Elektrolyse – in chemisch wertvolle Produkte wie Kohlenmonoxid (CO) oder Ethanol umgewandelt werden, die als Rohstoffe für die Industrie oder zur nachhaltigen Energiebereitstellung genutzt werden können. Ein zentrales Hindernis für die langfristige Stabilität dieser Technologie ist jedoch das Wasser- und Salzmanagement innerhalb der Elektrolysezelle, in der die chemische Reaktion stattfindet.
Das Forschungsteam um Dr. Joey Disch und PD. Dr. Severin Vierrath von Hahn-Schickard und der Universität Freiburg hat in Zusammenarbeit mit dem französischen Institut Laue-Langevin in Grenoble einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis der Wasserverteilung während der CO₂-Elektrolyse erzielt. Ihre Studie wurde zunächst in den ACS Energy Letters veröffentlicht und nun in der Februarausgabe von Nature Catalysis hervorgehoben. Die Studie nutzt die hochauflösende Neutronen-Bildgebung – eine der leistungsfähigsten Methoden, um den Wassertransport in Elektrolyseuren direkt zu untersuchen – um die Transportmechanismen während des gepulsten Betriebs eines CO₂-Elektrolyseurs sichtbar zu machen. Mit einer Auflösung von 6 µm ermöglicht diese Methode eine hochpräzise Untersuchung der Wasserverteilung und Salzbildung unter realistischen Betriebsbedingungen (400 mA cm⁻² bei einer Zellspannung von 3,1 V und einer Faraday-Effizienz für CO von 95 %). Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen durchdringen Neutronen selbst metallische Komponenten leicht, während sie Wasserstoff und damit wasserhaltige Strukturen sehr gut sichtbar machen.
Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Stabilisierung des Elektrolyseurs während des gepulsten Betriebs, in dem das Zellpotential periodisch für kurze Zeit auf ein Potential unterhalb des Reduktionsbeginns gesetzt wird. Die Neutronen-Bildgebung liefert die Erklärung für die Stabilisierung und verdeutlicht, dass sich während der kurzen Unterbrechungen des Betriebs der Wassergehalt in der Gasdiffusionsschicht erhöht, was einen Abbau von hinderlichen Salzablagerungen fördert.
Die elektrochemische CO₂-Reduktion eröffnet vielversprechende Perspektiven für einen nachhaltigen Umbau der chemischen Grundstoffindustrie. Besonders die CO₂-Elektrolyse zur Kohlenmonoxid-Gewinnung, als vielseitiger Ausgangsstoff für die Chemieindustrie, steht an der Schwelle zur industriellen Anwendung: Elektrolysezellen mit Anionen-Austauschmembranen überzeugen bereits durch bemerkenswerte Effizienz dank optimierter Reaktandenführung und minimierter Widerstandsverluste.
Diese Erkenntnisse liefern also wertvolle Informationen für die Optimierung des Designs und Betriebs von CO₂-Elektrolyseuren, um die Effizienz und Langzeitstabilität dieser Systeme zu verbessern und der Umwelt das schädliche Klimagas CO2 zu entziehen.
Originalveröffentlichung
Marçal Capdevila-Cortada; "Pulsed electrolysis through neutron lenses"; Nature Catalysis, Volume 8, 2025-2-26
Luca Bohn, Josephine Häberlein, Frederik Brendel, Lukas Metzler, Lukas Helfen, Alessandro Tengattini, Carolin Klose, Severin Vierrath, Joey Disch; "High-Resolution Neutron Imaging of Water Transport in CO2 Electrolysis during Pulsed Operation"; ACS Energy Letters, Volume 10, 2025-1-26
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