Membranfreier CO2‑Hydrierungselektrolyseur zur Salz‑Ausscheidungssteuerung bei saurer elektrochemischer CO2‑Reduktion

Aus Klimaschadstoff wird nützlicher flüssiger Brennstoff

Kohlendioxid (CO2) aus Kraftwerken und Fabriken treibt den Klimawandel maßgeblich voran, ist aber zugleich ein günstiger und reichlich vorhandener Rohstoff. Wissenschaftler arbeiten mit Hochdruck daran, CO2 mithilfe von Strom aus erneuerbaren Quellen in nützliche Chemikalien zu verwandeln. Diese Studie greift ein praktisches Hindernis auf, das diese Technologien bis jetzt stillschweigend begrenzt hat: die Ablagerung von Salzen in reaktorähnlichen Anlagen, die die Leistung allmählich erstickt. Die Forschenden stellen ein neues, membranfrei arbeitendes Reaktordesign vor, das über Tage stabil läuft und CO2 effizient in Ameisensäure umwandelt – eine Flüssigkeit, die als chemischer Rohstoff, Konservierungsmittel oder Energieträger verwendet werden kann.

Warum heutige CO2‑Anlagen verstopfen

Viele CO2‑zu‑Chemikalien‑Geräte ähneln kompakten Brennstoffzellen. CO2 wird einer Seite (der Kathode) zugeführt, wo es in Produkte umgewandelt wird, während auf der anderen Seite (der Anode) Wasser gespalten wird, um die benötigten positiven Ladungen (Protonen) zu liefern. Zwischen diesen beiden Seiten sitzt eine dünne Polymerfolie, die Membran, die bestimmte Ionen durchlässt, aber die Flüssigkeiten trennt. In alkalischen oder neutralen Medien reagiert ein großer Teil des CO2 mit Hydroxid zu Carbonat‑Salzen statt zu nutzbaren Produkten, was Kohlenstoff verschwendet und energieintensive Rückgewinnung erforderlich macht. Saure Medien können das vermeiden, doch dann hängt das System von der Fähigkeit der Membran ab, Protonen schnell und gleichmäßig zu liefern. Wenn die Protonenversorgung hinterherhinkt, steigt die lokale Basizität an der Kathode, Carbonate und Bicarbonate kristallisieren und feste Salze verstopfen nach und nach die Gaswege, die das CO2 zum Katalysator bringen.

Eine neue Art, Protonen ohne Barriere zu bewegen

Das Team quantifizierte zunächst, wie effizient Protonen in typischen sauren Reaktoren über Membranen transportiert werden, und führte eine einfache Kennzahl ein: die Zahl der Protonen, die pro durch den Stromkreis fließendem Elektron die Membran überqueren. Mit Theorie und Computersimulationen zeigten sie, dass reale Membranen selten den idealen Protonentransfer erreichen. Dickere Folien, geringere Protonenselektivität und bestimmte Ionenkombinationen verlangsamen die Protonenbewegung und erzeugen ungleichmäßige Aciditätsverhältnisse zwischen den Seiten. Experimente bestätigten dies: In einer Standardzelle mit Membran driftete die Katholyte (Flüssigkeit an der Kathode) innerhalb weniger Stunden von stark sauer zu nahezu neutral, was die Carbonatbildung und Salzablagerungen tief im Gas‑Diffusions‑Elektrodenmaterial förderte.

Membranfreie CO2‑Hydrierung

Um das Membran‑Nadelöhr ganz zu umgehen, entfernten die Forschenden die Membran und ließen eine gemeinsame Flüssigkeit an beiden Elektroden vorbeiströmen. Das stabilisierte allein den pH‑Wert, brachte aber ein neues Problem: Wertvolle Ameisensäure, die an der Kathode gebildet wird, könnte an einer herkömmlichen Anode, die die Sauerstoffentwicklung betreibt, zerstört werden, weil diese bei relativ hoher Spannung arbeitet und viele organische Moleküle oxidiert. Die Lösung bestand darin, die Sauerstoffentwicklung durch die Wasserstoffoxidationsreaktion zu ersetzen – praktisch das „Verbrennen“ von Wasserstoff zu Protonen bei sehr niedriger Spannung. In diesem membranfreien CO2‑Hydrierungs‑Elektrolyseur wird Wasserstoff an der Anode zugeführt, CO2 an der Kathode, und die strömende Flüssigkeit mischt die an beiden Seiten entstehenden Protonen und Hydroxidionen schnell, verhindert dauerhafte pH‑Gradienten und reduziert die Salzablagerung deutlich.

Intelligenter Katalysator und Langzeitleistung

Im Zentrum der Kathode bauten die Autorinnen und Autoren einen Bismut‑Silber (Bi–Ag)‑Katalysator, der Bismuts Fähigkeit zur Formiatbildung mit Silbers ausgezeichneter elektrischer Leitfähigkeit kombiniert. Mikroskopie und Spektroskopie zeigten Silber‑Nanopartikel, die Bismut‑Nanoschichten schmücken, sowie subtile elektronische Wechselwirkungen der beiden Metalle, die die CO2‑Adsorption und ‑Aktivierung verbessern. In saurer Lösung wandelte dieser Katalysator CO2 mit über 90 % Effizienz über einen breiten Strombereich in Ameisensäure um. In dem membranfreien, wasserstoffgekoppelten Reaktor erreichte er über 90 % Effizienz bei 100 Milliampere pro Quadratzentimeter und nur 1,7 Volt – deutlich weniger als konkurrierende Entwürfe – und lief stabil für 208 Stunden. Nach Tagen des Betriebs wurden in der Elektrode nur Spuren von Carbonatsalz nachgewiesen, was zeigt, dass das problematische Ausfällen von Salzen weitgehend unterdrückt wurde.

Vom Laboraufbau zur praktischen CO2‑Aufwertung

Über den Nachweis des Konzepts hinaus trieben die Forschenden das Design in Richtung praktischer Relevanz voran. Durch Verkleinerung des Flüssigkeitskanals zwischen den Elektroden senkten sie den elektrischen Widerstand und hielten die hohe Leistungsfähigkeit bei geringeren Spannungen aufrecht. Sie erreichten eine Einmalumwandlungs‑Effizienz des CO2 von bis zu 77 %, das heißt, ein Großteil des in die Zelle eingebrachten CO2 wurde in einem Durchgang in Produkt umgewandelt. Ökonomische Modellrechnungen deuteten darauf hin, dass das Entfernen der Membran, die Senkung des Energieverbrauchs und eine hohe Kohlenstoffausbeute die Kosten der Ameisensäureherstellung deutlich reduzieren können, auch wenn weitere Einsparungen von günstigerem Strom, besserer Produkte‑/Flüssigkeitstrennung und höherer Stromdichte abhängen. Insgesamt zeigt die Arbeit einen praktikablen Weg auf, Abfall‑CO2 in eine nützliche flüssige Chemikalie zu verwandeln und zugleich ein zentrales Dauerhaftigkeitsproblem zu umgehen, das frühere Reaktordesigns geplagt hat.

Zitation: Da, Y., Fan, L., Wang, W. et al. Membrane-free CO₂ hydrogenation electrolyzer for salt precipitation management in acidic electrochemical CO₂ reduction. Nat Commun 17, 1872 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68600-3

Schlüsselwörter: CO2‑Elektroreduktion, Fluorwasserstoffsäure, membranfreier Elektrolyseur, Wasserstoffoxidation, Kohlenstoffnutzung