Entwicklung nachhaltiger Gasdiffusionselektroden für die elektrochemische CO2-Reduktion

Die chemische Industrie ist nach wie vor für einen Großteil der anthropogenen Treibhausgasemissionen verantwortlich. Um die Industrie zukünftig in Richtung Klimaneutralität zu führen, ist eine Substitution fossiler Rohstoffquellen notwendig. Diese Substitution darf jedoch nicht unter der Prämisse eines Verzichts auf kohlenstoffhaltige Rohstoffe erfolgen. Kohlenstoffhaltige Produkte werden auch in Zukunft ihre Bedeutung behalten. Um gerade diese weitere Nutzung von kohlenstoffhaltigen Stoffen in der chemischen Industrie zu ermöglichen, ist die Einführung eines Kohlenstoffkreislaufes unabdingbar. Eine Methode, diesen Kohlenstoffkreislauf zu ermöglichen, ist die elektrochemische Reduktion von CO₂.

Eine wichtige Komponente der CO₂-Elektrolyse ist die Gasdiffusionselektrode (GDE). Die GDE fungiert in der Elektrolyse sowohl als Kathode als auch als Separator zwischen Katholyt- und Gasraum. Ein Bestandteil neben dem Katalysator ist Polytetrafluorethylen (PTFE). PTFE wird zur Stabilisierung der Elektrode eingesetzt und sorgt gleichzeitig für eine Hydrophobizität, die das Fluten der GDE durch den Elektrolyten verhindert und den Zugang für CO₂ ermöglicht. PTFE gehört jedoch zu den umweltschädlichen polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS). PFAS sind sehr stabile persistente Chemikalien, die aufgrund ihrer Stabilität nicht abgebaut werden und sich daher in der Natur anreichern. Eine erhöhte Konzentration dieser PFAS wird zunehmend auch im menschlichen Körper festgestellt. Dies hat gesundheitsschädigende Folgen für den Menschen, insbesondere für den Embryo bzw. Fötus im Mutterleib. Diese Eigenschaften von PFAS haben die Europäische Union dazu veranlasst, ein Verbot für die Verwendung von PFAS auszusprechen. Im Projekt DisCO₂very werden nachhaltige, fluorfreie Gasdiffusionselektroden mit verschiedenen Katalysatoren entwickelt und charakterisiert mit dem Ziel, industriell einsetzbare GDEs ohne PTFE zu entwickeln.

Die Arbeitsgruppe am ICVT beschäftigt sich mit der elektrochemischen und physikalischen Charakterisierung von GDEs unter Verwendung alternativer Binder. Hierbei werden vor allem das Porensystem und die Performance in der CO₂-Elektrolyse untersucht. Zusätzlich wird die Hydrophobizität der GDEs im Betrieb der CO₂-Elektrolyse untersucht. Mit den gewonnenen Daten aus den verschiedenen Teilprojekten soll zudem ein mathematisches Modell zur Beschreibung der Vorgänge innerhalb der GDE entwickelt werden.