Mit dem neuen Klimaschutzgesetz hat sich Deutschland zur Treibhausgasneutralität bis 2045 verpflichtet. Dafür müssen Emissionen vermieden, CO2 aus der Atmosphäre entfernt und fossile Energieträger durch erneuerbare ersetzt werden. Laut Experten wird es allerdings auch nach 2045 noch erforderlich sein, CO2 abzuscheiden und anschließend zu nutzen oder in tiefliegenden Gesteinsschichten zu speichern – bekannt unter den Abkürzungen CCS, CCU und CCUS („Carbon Capture, Utilisation and Storage“, auf Deutsch Kohlenstoffabscheidung, Nutzung und Speicherung). Im Dienste dieser Bestrebungen steht ein neues Forschungsprojekt der Universität Paderborn, bei dem sogenannte „Übergangsmetall-CO2-Batterien (TMBCs)“ entwickelt werden sollen. Die Batterien versprechen nicht nur die Speicherung erneuerbarer Energien, sondern auch die Verringerung von CO2-Emissionen. Für ihr Vorhaben „CO2BATT“ wurden Jun.-Prof. Dr. María Nieves López Salas und PD Dr. Teresa de los Arcos de Pedro, beide vom Department Chemie, jetzt mit dem Forschungspreis der Universität ausgezeichnet.
„CO2-Batterien bieten großes Potenzial für den Klimaschutz. Sie könnten dazu beitragen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und den Weg für umweltfreundlichere Energiequellen zu ebnen“, erklärt López Salas, die sich in ihrer Forschung auf nachhaltige Materialchemie konzentriert. „Aber sie bringen auch große Herausforderungen mit sich“, so die Wissenschaftlerin weiter. Aktuelle Hürden reichen von der geringen Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid bis hin zu einer hohen Überspannung, zu der es bei der Umwandlung von gasförmigem CO2 zu einem festen Karbonat in der Kathode kommt. Darüber hinaus schädigen unerwünschte Nebenprodukte, die während dieses Prozesses entstehen, die Kathodenmaterialien.
CO2-Reduktion durch neuartige Elektroden
Zum Vergleich: Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien haben zwei Elektroden. Eine Anode – umgangssprachlich als Minuspol bezeichnet – und eine Kathode, den Pluspol, an dem durch verschiedene chemische Reaktionen die Energiespeicherung erfolgt. Allerdings haben sie eine große Schwachstelle, denn „Lithium-Ionen-Batterien sind nicht recycelbar. Zugunsten von Nachhaltigkeitsaspekten betrachten wir den TMBCs-Produktzyklus deshalb von Anfang an“, ergänzt de los Arcos de Pedro. Hier kommt CO2BATT ins Spiel: „Mittels fortschrittlicher Röntgenspektroskopie wollen wir ein tiefgreifendes Verständnis der Wechselwirkungen bei der CO2-Reduktion an kohlenstoffbasierten Kathoden, die mit Übergangsmetallen wie Eisen, Zink oder Aluminium angereichert sind, erlangen. Das ist der Weg zur Entwicklung neuer, vollständig recycelbarer Batterien, die Energie aus dem CO2 erzeugen, das sie der Atmosphäre entziehen“, so de los Arcos de Pedro weiter. Dazu López Salas: „Die Herausforderung besteht darin, eine hohe Aktivität und Selektivität der CO2-Umwandlung zu erreichen. Dafür ist es wichtig, die spezifischen Stellen auf der Kohlenstoff-Metall-Oberfläche zu kennen, die die Umwandlung von Übergangsmetall-Ionen in ein Karbonat durch CO2-Reduktion beeinflussen. Das wurde bisher jedoch kaum erforscht.“
Das Projekt ist in verschiedene Arbeitspakete unterteilt, von der Herstellung von Kathodenmaterialien über elektrochemische Tests bis hin zur Entwicklung einer speziellen elektrochemischen Zelle für Röntgenspektroskopiemessungen. Dieser umfassende Ansatz ermöglicht es den Forscherinnen, die Mechanismen zu verstehen, die der CO2-Reduktion und Energiespeicherung zugrunde liegen. Der Erfolg von CO2BATT verspricht nicht nur Fortschritte bei der Entwicklung effizienterer TMCBs, sondern könnte auch Auswirkungen auf ein breiteres Spektrum von Technologien zur CO2-Abscheidung und -Nutzung haben.
