CO2‑Elektrolyse in Kilowatt‑Skala ohne Alkalikat‑Kationen durch beschleunigten Stofftransport

Aus einem Klimaproblem nützliche Produkte machen

Kohlendioxid (CO₂) aus Fabriken und Kraftwerken treibt den Klimawandel maßgeblich an, ist aber zugleich eine kostengünstige und reichlich verfügbare Kohlenstoffquelle. Forschende entwickeln Geräte, die CO₂ mit Strom aus kohlenstoffarmen Quellen in wertvolle Brennstoffe und Chemikalien „recyceln“ können. Diese Arbeit berichtet einen wichtigen Schritt hin zu CO₂‑zu‑Brennstoff‑Anlagen im industriellen Maßstab — in etwa der Leistungsgröße eines kleinen Stadtteils — und zeigt, wie sich dabei Stabilität, Effizienz und wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit erhalten lassen.

Warum das Bewegen von Molekülen zählt

Moderne CO₂‑zu‑Brennstoff‑Geräte leiten Gas durch dünne, geschichtete Strukturen, in denen CO₂ auf einen Katalysator trifft und zu Produkten wie Kohlenmonoxid (CO) und Ethylen (C₂H₄) — einem Baustein für Kunststoffe — umgewandelt wird. Jahrelang lag der Schwerpunkt vor allem auf der Erfindung besserer Katalysatoren. Wie die Autorinnen und Autoren aber zeigen, ist der größere Engpass inzwischen, wie schnell CO₂ und Reaktionsprodukte in diesen Schichten ein‑ und ausströmen können — eine Herausforderung, die als Stofftransport bekannt ist. Wird CO₂ zu langsam zugeführt, steigt zwar der Umsetzungsgrad, die Gesamtleistung bleibt aber gering. Bei schneller Zufuhr erzeugt das Gerät viel Produkt, verschwendet jedoch den Großteil des CO₂. Konventionelle Gasdiffusionselektroden, aufgebaut auf dicken Kohlepapierschichten, fangen Gase in komplexen Pfaden ein und erzwingen einen Zielkonflikt zwischen hoher Selektivität für gewünschte Produkte und hoher CO₂‑Umwandlung.

Eine neue Autobahn für Kohlendioxid

Um diesen Zielkonflikt zu durchbrechen, gestalteten die Forschenden das Herzstück des Geräts — die Gasdiffusionselektrode — neu: zu einer sogenannten High‑Diffusion‑Flux‑Gas‑Diffusion‑Electrode (HDF‑GDE). Anstatt einer Katalysatorschicht auf einem separaten Kohleträger besteht das neue Design im Wesentlichen vollständig aus Katalysator, verstärkt durch ein dünnes Edelstahlnetz in der Mitte. Große, gut vernetzte Poren und zusätzliches wasserabweisendes Material lassen CO₂‑Gas die aktiven Stellen direkt erreichen, ohne sich durch ein inertes Substrat quetschen zu müssen. Tests mit einem speziell entwickelten Silberkatalysator, der CO₂ hauptsächlich zu CO reduziert, zeigten, dass diese neue Elektrode bei industrietypischen Stromdichten betrieben werden kann, während die Produktselektivität sehr hoch bleibt. In einer kompakten Zelle, die auf einer Seite ausschließlich mit reinem Wasser und auf der anderen mit CO₂ gespeist wurde — also ohne zugesetzte alkalische Salze — erreichte das Gerät etwa 400 Milliampere pro Quadratzentimeter, wobei rund 90 Prozent des elektrischen Stroms zu CO führten, deutlich besser als frühere alkalifreie Systeme.

Hochskalierung auf Kilowatt‑Leistung

Vielversprechende Laborzellen versagen oft beim Hochskalieren, daher baute das Team einen kompletten Stapel aus sechs Membran‑Elektroden‑Einheiten, jeweils etwa in der Größe eines Taschenbuchs, um die Leistung unter realen Bedingungen zu testen. Mit den silberbasierten HDF‑GDEs lief der Stapel über 1.000 Stunden bei rund 1,3 Kilowatt elektrischer Leistung und wandelte etwa 81 Prozent des zugeführten CO₂ stabil in CO um — bei einem Gasdurchsatz, der dem einer kleinen Industrieanlage entsprechen könnte. In diesem Zeitraum wurden ungefähr 144 Kilogramm CO produziert. Dasselbe Design wurde anschließend für einen Kupferkatalysator adaptiert, der bevorzugt Ethylen liefert. In dieser Konfiguration lief ein ähnlich dimensionierter Kilowatt‑Stapels über 1.000 Stunden und ergab etwa 17 Kilogramm Ethylen, wobei die CO₂‑zu‑Ethylen‑Umwandlung im Vergleich zu älteren Elektrodenstrukturen um etwa das 15‑Fache erhöht wurde.

Ein Blick in den Prozess

Um zu verstehen, warum die neuen Elektroden so gut funktionieren, kombinierten die Autorinnen und Autoren detaillierte Bildgebung, Echtzeit‑Laser‑Spektroskopie und Computersimulationen. Sie fanden heraus, dass die offene, netzverstärkte Katalysatorschicht einen schnelleren Gastransport unterstützt als konventionelle Kohlepapier‑Designs, sowohl im mikroskopischen Bereich als auch auf Geräteebene. Mehr CO₂ und wichtige Reaktionszwischenprodukte bedecken die Katalysatoroberfläche, während Wasserstoff — ein in diesem Kontext unerwünschtes Nebenprodukt — unterdrückt wird. Simulationen zeigen, dass obwohl die CO₂‑Konzentration entlang des Gasstromwegs beim Verbrauch abnimmt, der gesamte „Verkehr“ der Kohlenstoffspezies durch die HDF‑GDE deutlich höher ist, was wiederum sowohl Stromdichte als auch CO₂‑Umwandlung erhöht, ohne die Gaszufuhr drosseln zu müssen.

Vom Labortisch zur wirtschaftlichen Betrachtung

Abschließend bewertete das Team, ob solche Systeme wirtschaftlich sinnvoll sein könnten. Mit Leistungsdaten aus ihren Kilowatt‑Stapeln erstellten sie ein techno‑ökonomisches Modell, das Geräte‑Kosten, Strompreise und das Recycling von unreaktiertem CO₂ berücksichtigt. Für die CO‑Produktion ergibt sich ein kalkulierter Preis von etwa 0,48 US‑Dollar pro Kilogramm — bereits unter den aktuellen Marktpreisen — und der Preis könnte weiter sinken, wenn die Geräte mehrere Jahre halten und bezahlbarer, kohlenstoffarmer Strom genutzt wird. Ethylen ist derzeit noch nicht wettbewerbsfähig, hauptsächlich weil die Selektivität noch moderat ist, doch die Analyse zeigt, dass Kombinationen aus technologischen Verbesserungen und klimapolitischen Maßnahmen wie CO₂‑Bepreisung auch CO₂‑zu‑Ethylen wirtschaftlich machbar machen könnten. Insgesamt demonstriert die Studie, dass die Neugestaltung des Gasmovements in elektrochemischen Reaktoren sowohl technischen als auch ökonomischen Fortschritt freisetzen kann und die kohlenstoffneutrale Chemieproduktion näher an die großtechnische Realität bringt.

Zitation: She, X., Xu, Z., Ma, Q. et al. Kilowatt-scale alkali-cation-free CO₂ electrolysis via accelerating mass transfer. Nat Commun 17, 2641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69175-9

Schlüsselwörter: CO2‑Elektrolyse, Gasdiffusionselektrode, kohlenstoffneutrale Kraftstoffe, Elektrokatalyse, Stofftransport