Forschungsthema

Untersuchung von Elektrolyten für die elektrochemische CO2 Reduktion mit anschließender Simulation von Trennprozessen zur Aufbereitung des Produktgemisches

Um die Klimaziele zu erreichen, wird an der Substitution fossiler Ressourcen in der Prozesschemie geforscht. Ein Weg ist die elektrochemische Reaktion von Wasser mit Kohlenstoffdioxid. Dabei werden der Anodenraum, in dem das Wasser oxidiert wird, und der Kathodenraum, in dem das Kohlendioxid reduziert wird, durch eine Membran voneinander getrennt. Ziel ist es, dass bei der Reaktion hauptsächlich Ethanol an der Kathode entsteht. 

Bei der Verwendung von wässrigen Elektrolyten auf der Kathodenseite entsteht hauptsächlich Wasserstoff anstatt der gewünschten organischen Produkte. Dies ist auf die geringe Löslichkeit und Diffusionsgeschwindigkeit von CO2 in Wasser zurückzuführen, weshalb die CO2-Moleküle kaum mit der aktiven Elektrode in Wechselwirkung treten. In vorherigen Arbeiten wurde festgestellt, dass durch den Einsatz organischer Elektrolyte unter erhöhtem CO2-Druck das Produktspektrum in Richtung organischer Produkte verschoben werden kann. Allerdings ist die elektrische Leitfähigkeit organischer Elektrolyte deutlich geringer als die wässriger Elektrolyte. Dies führt zu einer geringeren Stromdichte und damit zum langsameren CO2-Umsatz. Daher ist die Erschließung neuer organischer Elektrolyte mit hoher Leitfähigkeit und gleichzeitig hoher CO2-Löslichkeit interessant. Da sowohl die Leitfähigkeit als auch die CO2-Löslichkeit für die meisten organischen Elektrolyte weitgehend unbekannt sind, wird diese für ca. 150 Elektrolyte in Abhängigkeit der Salzkonzentration, der Temperatur und des Druckes untersucht. Dazu werden eine selbst entwickelte automatische Konduktometrie für die Bestimmung der Leitfähigkeit und ein gravimetrisches Verfahren zur Bestimmung der CO2-Löslichkeit verwendet.

Der Kooperationspartner Fraunhofer UMSICHT führt anschließend die Reaktionen durch. Die aus der Reaktion resultierenden Zusammensetzungen der Produktströme dienen als Grundlage für den nachfolgenden Trennprozess. Die frühzeitige Betrachtung des Trennprozesses ist wichtig, weil dessen Kosten meist sehr hoch sind und die Kosten der Reaktion übersteigen können. Da die Reaktion mit kupferbasierten Katalysatoren durchgeführt wird, entstehen meist viele verschiedene Produkte (z. B. Alkohole, Alkene, Alkane, Wasserstoff und Wasser). Die Separation dieser Stoffe ist äußerst komplex, weshalb Simulationsprogramme wie Aspen Plus und Aspen Adsorption verwendet werden. Basierend auf der Simulation des Trennprozesses wird eine technoökonomische Bewertung durchgeführt.