Nanosilber als Elektrokatalysator für die CO₂-Verwertung

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Durch Elektrolyse lässt sich CO2 zu CO reduzieren, einem Ausgangsstoff für
weitere chemische Produkte wie Kraftstoffe. Im Rahmen des GreenQUEST-
Projekts hat ein internationales Team um den HZB-Chemiker Prashanth
Menezes Katalysatorschichten aus Silbernanopartikeln untersucht und dabei
sowohl die Partikelgröße als auch deren Dichte variiert.

Die beste
Ausbeute wurde mit Nanopartikeln mit Durchmessern von etwa 10 nm erzielt,
die locker verteilt waren. Darüber hinaus zeigten sie, wie sich die
Wirtschaftlichkeit der elektrochemischen Zelle durch eine zusätzliche
chemische Reaktion an der Anode verbessern lässt, indem gleichzeitig
wertvolle Ameisensäure, Wasserstoff und CO erzeugt wird.

Das Treibhausgas CO2 kann mit elektrischer Energie elektrolytisch zu
Kohlenmonoxid (CO) reduziert werden. In weiteren Schritten bilden CO und
Wasserstoff (H₂) ein Synthesegas, das anschließend katalytisch weiter zu
einem Brennstoff (LFG) verarbeitet wird, der hauptsächlich aus Propan
(C₃H₈) und Butan (C₄H₁₀) besteht. Sofern die elektrische Energie für die
Elektrolyse aus Solar- oder Windkraft gewonnen wird, kann diese
Technologie als klimaneutral betrachtet werden, da CO2 sozusagen recycelt
wird. Teams des HZB arbeiten im Rahmen des GreenQUEST-Projekts gemeinsam
mit Partnerinstitutionen in Südafrika an dieser Technologie. Ihr Ziel ist
es, einen erschwinglichen und nachhaltigen „grünen“ Kochbrennstoff (gLFG)
als sauberere Alternative zum Kochen zu entwickeln, insbesondere für die
ländlichen Regionen Südafrikas, wo Brennholz nach wie vor eine wichtige
Energiequelle für Haushalte darstellt.

Ein Team um Dr. Prashanth Menezes, HZB, hat nun aufgezeigt, wie sich
Wirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit der elektrolytischen Reduktion von CO2
zu CO verbessern lassen. Sie untersuchten systematisch
Katalysatorschichten aus Silber-Nanopartikeln und variierten dabei sowohl
die Größe der Partikel als auch deren Dichte auf einem
Kohlenstoffpulvermaterial, das die Kohlenstoffelektrode bedeckt.

„Wir wussten bereits, dass zu kleine Nanopartikel die
Wasserstoffentwicklung fördern, was die Ausbeute an Kohlenmonoxid
verringert. Umgekehrt sind zu große Nanopartikel katalytisch weniger
wirksam, wir wollten also das Optimum ermitteln“, sagt Dr. Niklas
Hausmann, Ko-Autor der Studie. Im Ergebnis zeigt sich: Die beste Ausbeute
wurde mit Nanopartikeln mit Durchmessern von etwa 10 nm erzielt, die
locker über das Kohlenstoffmaterial verteilt waren (0,2 mg pro
Quadratzentimeter Elektrode) .

Ein zweiter Reaktionsschritt brachte eine weitere Verbesserung: Während an
der Kathode Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid reduziert wird, findet an der
Anode normalerweise eine Sauerstoffentwicklungsreaktion ab. Diese
Sauerstoffentwicklungsreaktion kostet viel Energie, die durch Strom
zugeführt werden muss, und liefert nur Sauerstoff, der keinen
wirtschaftlichen Wert hat. Das Team zeigte nun, dass durch Zugabe von
Aldehyden zum Elektrolyt die Sauerstoffentwicklungsreaktion durch eine
Aldehyd-Oxidationsreaktion ersetzt werden kann. Dadurch sinkt der
Energiebedarf des gesamten Prozesses um mehr als 30 %. Zusätzlich
entstehen anstelle von Sauerstoff nutzbarer Wasserstoff und wertvolle
Karbonsäuren wie Ameisensäure.

Der optimierte Katalysator auf Basis von Silbernanopartikeln wies über
einen bemerkenswert langen Zeitraum von 100 Stunden eine faradaische
Effizienz von fast 100 % für CO auf. Untersuchungen mittels Röntgen-
Photoelektronenspektroskopie bestätigten, dass die elektronische und
chemische Struktur der aktiven Silberpartikel während des Betriebs
weitgehend stabil bleibt.

„Wenn wir die CO-Produktion mit der Wasserstofferzeugung und der
gleichzeitigen Bildung weiterer wertschöpfender Chemikalien wie
Ameisensäure kombinieren, können wir den Gesamtwert des elektrochemischen
Prozesses steigern. Das CO und der Wasserstoff können für die
anschließende Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe und Chemikalien genutzt
werden“, sagt Menezes.

Hinweis: Diese Arbeit wurde im Rahmen des GreenQUEST-Projekts
durchgeführt, einer vom BMFTR geförderten und von HZB koordinierten
deutsch-südafrikanischen Kooperation, mit dem Ziel, einen nachhaltigen
Herstellungsweg für grünes Flüssiggas (gLFG) auf Basis zirkulärer
Kohlenstoffnutzung zu entwickeln.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Prashanth Menezes, prashanth.menezes@helmholtz-berlin.de

Originalpublikation:
Advanced Functional Materials (2026): Decoupling the Size and Loading
Effects in Silver Nanoparticles for Efficient Paired Carbon Dioxide and
Formaldehyde Electrolysis

Venkata S. R. K. Tandava, Clara Große, Debabrata Bagchi, Zhenye Zhu,
Suptish Ghosh, J. Niklas Hausmann, Carsten Walter, Rosario Suarez
Anzorena, Catalina Elena Jimenez, Yasmin Lucero Cobos-Becerra, Jack C. Q.
Fletcher, Tobias Sontheimer, Michael Schwarze, Holger Dau, Matthias
Driess, Marcus Bär, Prashanth W. Menezes
DOI: 10.1002/adfm.78365