Übergangsmetall–CO₂-Batterien als Brücke in eine grünere Zukunft (CO2BATT)
Gegen den Klimawandel: Recycelbare Batterien entfernen CO₂ aus der Atmosphäre
Der dringende Bedarf, CO₂-Emissionen zu reduzieren, um eine nachhaltige Zukunft zu sichern, kann nicht genug betont werden. Durch Investitionen in Technologien zur CO₂-Abscheidung, -Nutzung und -Speicherung (CCUS), in erneuerbare Energien und in Maßnahmen zur Energieeffizienz können wir die Emissionen deutlich senken. Metall-CO₂-Batterien (MCBs) bieten dabei eine einzigartige Chance, da sie CO₂ einfangen und in elektrische Energie umwandeln – und damit sowohl Energiespeicherung als auch Emissionsminderung ermöglichen.
Allerdings sind MCBs mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Die spezifischen Reaktionsanforderungen von CO₂ (geringe Löslichkeit, hohe Überspannung) sowie die Bildung von Nebenprodukten stellen große Hürden dar und machen diese Batterien bislang weitgehend unerforscht. Das Anodenmaterial (typischerweise Li, Na, K oder Mg) ist entweder knapp, sicherheitskritisch oder beides. Die Kathode wiederum muss in der Lage sein, die CO₂-Reduktion effizient und selektiv zum gewünschten Produkt zu katalysieren, um hohe Kapazitäten, gute Zyklenstabilität und effektive Lade-/Entladeprozesse sicherzustellen.
Im Gegensatz zu heutigen wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien, deren Wiederverwertbarkeit trotz ihrer langjährigen Marktpräsenz weitgehend unerforscht ist, sollte die Chemie einer solchen neuen und vielversprechenden Batterietechnologie idealerweise vollständig recycelbar sein. Dies erfordert (1) wässrige Elektrolyte, (2) kohlenstoffbasierte Materialien aus erneuerbaren Quellen als Kathoden und (3) Übergangsmetalle als Anoden (z. B. Fe, Zn oder Al). Solche Kathodenmaterialien sind zwar amorph, benötigen jedoch Fremdatome (Atome, die nicht Kohlenstoff sind), um hohe Aktivität und Selektivität zu erzielen.
Um dies zu erreichen, ist ein tiefes Verständnis darüber notwendig, welche Kohlenstoffzentren die Umwandlung von Übergangsmetallionen in Carbonate über die CO₂-Reduktion katalysieren. Genau dieses Wissen fehlt besonders bei Übergangsmetall-CO₂-Batterien (TMCBs), die sich noch im Anfangsstadium befinden, da der Großteil der bisherigen Forschung auf Lithium-Chemie ausgerichtet war.
CO2BATT -Bold Ideas for Science
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Mit dem neuen Klimaschutzgesetz hat sich Deutschland verpflichtet, bis 2045 treibhausgasneutral zu werden. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen Emissionen vermieden, CO₂ aus der Atmosphäre entfernt und fossile Energieträger durch erneuerbare ersetzt werden. Fachleuten zufolge wird es jedoch auch nach 2045 notwendig sein, CO₂ abzuscheiden und anschließend zu nutzen oder in tiefen Gesteinsschichten zu speichern – bekannt unter den Abkürzungen CCS, CCU und CCUS („Carbon Capture, Utilisation and Storage“).
Ein neues Forschungsprojekt an der Universität Paderborn unterstützt diese Bestrebungen und soll sogenannte „Transition Metal CO₂ Batteries (TMCBs)“ entwickeln. Diese Batterien versprechen nicht nur die Speicherung erneuerbarer Energien, sondern auch die Reduktion von CO₂-Emissionen.
Jun.-Prof. Dr. María Nieves López Salas und PD Dr. Teresa de los Arcos de Pedro, beide aus dem Department Chemie, sind nun mit dem Forschungspreis der Universität ausgezeichnet worden.
Partner: PD Dr. Teresa de los Arcos de Pedro
PD Dr. Teresa de los Arcos de Pedro's webpage: https://chemie.uni-paderborn.de/arbeitskreise/technische-chemie/grundmeier/forschung/advanced-surface-and-interface-spectroscopy
