»In meinen Augen sind elektrokatalytische Technologien entscheidend für eine nachhaltigere Produktion von Chemikalien und Kraftstoffen«, erläutert Kevinjeorjios Pellumbi die Motivation hinter seiner Arbeit. »Gerade die CO₂-Elektrolyse und die elektrochemische Hydrierungsreaktion haben großes Potenzial für die Industrie – zum Beispiel mit Blick auf die Verringerung von Treibhausgasemissionen, die Elektrifizierung der chemischen Industrie oder die Speicherung und Umwandlung überschüssiger Energie in chemische Energie.«

Momentan allerdings ist die industrielle Relevanz dieser beiden Technologien noch eingeschränkt. Das hat in den Augen von Kevinjeorjios Pellumbi verschiedene Gründe. »Zum einen reichen die bislang eingesetzten Entwicklungsrouten noch nicht aus, um die Technologien effizient auf Industriemaßstab zu skalieren. Sie sind zu langsam und zu ineffizient. Zum anderen fehlen robuste und kosteneffiziente Katalysatoren.«

Ganzheitliche elektrochemische Routen: Von Elektrodenstrukturen bis zur Zellkonfiguration

Ins Zentrum seiner Arbeit hat der UMSICHT-Wissenschaftler deshalb die Frage gestellt, wie CO₂-Elektrolyse und elektrochemische Hydrierungsreaktion für die industrielle Anwendung optimiert werden können. Dabei hat er ganzheitliche elektrochemische Routen ins Visier genommen – angefangen bei der Struktur von Elektroden bis zur Konfiguration von Zellen. »Um solche neuen Routen aufzubauen, ist vor allem ein Basisverständnis wichtig: Der Katalysator selbst ist nur ein Teil eines großen Puzzles. Betriebsbedingungen und Wassermanagement beispielsweise sind ebenso wichtig.«

Einer seiner Schwerpunkte waren neuartige Ag(I)-BIAN-Elektrokatalysatoren, die bei der CO₂-Elektroreduktion zum Einsatz kommen können. Dahinter verbergen sich Silber-Ionen, die mit bifunktionalen Liganden kombiniert sind, um als Elektrokatalysatoren zu fungieren. »Im Rahmen meiner Arbeit habe ich sowohl die katalytische Struktur als auch die Betriebsparameter des Elektrolyseurs optimiert«, so Kevinjeorjios Pellumbi. »Dabei hatte ich auch die Verbesserung von Elektrode, Betriebsbedingungen und Zelle im Blick. Schließlich zahlt alles auf CO-Selektivität und Stabilität der Reaktionen ein.«

Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung robuster und kostengünstiger Elektrokatalysatoren für die elektrochemische Hydrierungsreaktion, die der Wissenschaftler mit Palladium-Elektroden verglichen hat. Ergebnis: Übergangsmetallchalkogenide – insbesondere auf Basis der Pentlandit-Kristallmatrix – erwiesen sich als vielversprechend und erreichten mit optimierten Fe₃Ni₆S₈-basierten Elektroden eine ähnliche Aktivität wie Palladium-Elektroden bei Stromdichten von bis zu 240 mA/cm² und Ausbeutewerten von bis zu 50 Prozent.

Auf Basis dieser Erkenntnisse ist ein einzigartiges elektrokatalytisches System entstanden, das 2-Methyl-3-buten-2-ol im Single-Pass-Betrieb mit Ausbeutewerten von bis zu 51 Prozent produziert. Diese organische Verbindung kommt u.a. als Basischemikalie bei der Herstellung von künstlichem Vitamin A und E zum Einsatz.

»Dr. Pellumbis Ansatz liefert neue, wertvolle Erkenntnisse für die Umsetzung der Energiewende«, begründet Dr. Nils Bottke (BASF SE) die Entscheidung der GDCh-Fachgruppe Chemie & Energie, die Arbeit des UMSICHT-Wissenschaftlers auszuzeichnen. Die Fachgruppe hat zum Ziel, die Rolle der Chemie als Schlüsseltechnologie der Energiewende zu stärken. Sie ist eine von insgesamt über 30 Fachstrukturen der GDCh und hat rund 550 Mitglieder aus Hochschulen, Forschungseinrichtungen, Industrie und Verwaltung. Gemeinsam setzen sie sich dafür ein, die Zusammenarbeit zwischen akademischer Welt und Industrie für ein erfolgreiches Voranbringen der Energiewende zu stärken.

Übrigens: Im Zusammenhang mit der Arbeit hat Kevinjeorjios Pellumbi gleich mehrere Patente eingereicht – für eine neuartige Katalysatorschicht und für eine neuartige Gasdiffusionsschicht.