Sauerstoff für den Mars
Direkte Spaltung: Elektrochemisches Verfahren nutzt Kohlendioxid zur Sauerstoff-Erzeugung
Um den globalen Klimawandel abzumildern, müssen die Kohlendioxid-Emissionen als dessen Hauptverursacher drastisch verringert werden. Ein neuer Ansatz schlägt gleich zwei Fliegen mit einer Klappe: CO2 wird dabei direkt elektrochemisch in Kohlenstoff und Sauerstoff zerlegt. Wie ein chinesisches Forschungsteam in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, könnte so auch Sauerstoff erzeugt werden, etwa unter Wasser oder in der Raumfahrt – ohne strenge Anforderungen z.B. an Druck und Temperatur erfüllen zu müssen.
Grünpflanzen beherrschen die Kunst der Kohlenstoffneutralität: Bei der Photosynthese wandeln sie CO2 in Sauerstoff und Glukose um. Dabei spielen Wasserstoffatome eine wichtige Rolle als „Vermittler“. Das Ganze läuft allerdings nicht besonders effektiv ab. Zudem stammt der erzeugte Sauerstoff nicht aus dem CO2, sondern aus aufgenommenen Wasser. Eine wirkliche Spaltung von CO2 findet nicht statt und konnte bisher auch technisch nicht bei moderaten Temperaturen erreicht werden.
Ping He, Haoshen Zhou und ihr Team an der Universität Nanjing haben in Zusammenarbeit mit Forschenden der Fudan-Universität (Shanghai) das Ziel, CO2 direkt in elementaren Kohlenstoff und Sauerstoff spalten, jetzt erreicht. Statt Wasserstoff wie bei Pflanzen übernimmt Lithium die „Vermittlerrolle“. Das Team entwickelte dazu eine elektrochemische Vorrichtung. Sie besteht aus einer Gaskathode mit einem nanoskaligem Co-Katalysator aus Ruthenium und Cobalt (RuCo) sowie einer metallischen Lithiumanode. In die Kathode eingeleitetes CO2 durchläuft eine zweistufige elektrochemische Reduktion mit Lithium. Zunächst entsteht Lithiumcarbonat Li2CO3, das zu Lithiumoxid Li2O und elementarem Kohlenstoff weiterreagiert. Li2O wird dann in einem elektrokatalytischen Oxidationsprozess in Lithiumionen und Sauerstoffgas O2 umgesetzt. Unter Verwendung eines optimierten RuCo-Katalysators ließ sich eine sehr hohe O2-Ausbeute von mehr als 98,6% erreichen, was die Effizienz der natürlichen Photosynthese deutlich übertrifft. Die Tests zeigten sich nicht nur mit reinem CO2 erfolgreich, sondern auch mit gemischten Gase verschieden hoher CO2-Anteile, darunter ein simuliertes Rauchgas, ein CO2/O2-Gemisch sowie ein simuliertes Marsgas. Die Mars-Atmosphäre besteht hauptsächlich aus CO2, aber der Druck beträgt weniger als 1% im Vergleich zur Erdatmosphäre. Daher wurde für die simulierte Mars-Atmosphäre eine Mischung mit Argon und 1% CO2 verwendet.
Stammt der benötigte Strom aus erneuerbarer Energie, eröffnen sich neue Wege in Richtung Kohlenstoffneutralität. Gleichzeitig handelt es sich um einen praktischen, kontrollierbaren Ansatz zur O2-Erzeugung aus CO2 mit einem breiten Anwendungspotenzial – von der Erforschung des Mars und der Sauerstoffversorgung von Raumanzügen über die Lebenserhaltung unter Wasser und Atemmasken bis zur Luftreinigung in Innenräumen und industrieller Abfallbehandlung.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
