Copper foam catalysts in CO₂ electroreduction – Development of an experimental measuring procedure and the structural and chemical modification of the catalyst

The energy transition is one important approach to face the recent climate change problem [1, 2]. This includes providing the direct usage of electrical energy in all economic sectors [3]. The energy transition goes along with a raw materials change. Here, carbon dioxide (CO2) is an interesting raw material, which is produced in higher concentrations in power plants, waste incineration plants and the steel or cement industry [4, 5, 6]. Important for the usage of carbon dioxide as raw material will we a circular economy. Promising technologies therefore are technologies for capturing and converting carbon dioxide or to store it [7]. One major research focus of the recent years for converting CO2 is the electrochemical reduction of CO2 (CO2RR). Here, both aspects of raw materials change from fossil raw materials to CO2 and to directly use electrical energy for chemical conversions are combined. Different catalysts materials can be used for this reaction depending on the major product of interest. Along the synthesized products, the CO2RR catalysts can be classified in different groups [8, 9]. Among these materials, copper is the unique one to be able to produce hydrocarbons directly out of carbon dioxide [10]. Hori et al. is known as a pioneer for the CO2RR with copper catalysts and he was successful in studying fundamental knowledge about this reaction [11, 12]. Since it is important to increase the resulting current density and thus the productivity of copper catalysts, research was focused on copper catalysts with higher surface areas. Therefore, research focused on nanoparticles [13] or dentritic copper materials, like copper foams [14]. These copper foam materials showed high selectivities for ethylene [15], which is one of the most interesting products in CO2RR. Further investigations on the selectivity of copper foam materials and how to influence the product formation is of a high interest. Besides the selectivity issue, also to achieve high current densities is important. Both issues will be investigated in this thesis.

Aufgrund der aktuellen Klimaproblematik [1, 2], stellt die Energiewende eine wichtige Richtung für unsere Zukunft dar. Ziel hierbei ist es, die direkte Nutzung von elektrischer Energie in allen Sektoren voranzutreiben [3]. Begleitet wird diese durch die Rohstoffwende. Kohlenstoffdioxid (CO2), ist hierbei ein interessanter Rohstoff, der z.B. heute bereits in Kraftwerken, Müllverbrennungsanlagen und der Stahl- oder Zementproduktion in hohen Konzentrationen anfällt [4, 5, 6]. Hierbei spielt eine CO2-Kreislaufwirtschaft eine wichtige Rolle. Als vielversprechen werden diesbezüglich Technologien zum Einfang und zur Konvertierung oder Lagerung von CO2 angesehen [7]. Die elektrochemische CO2 Reduktion (CO2RR) setzt bei beiden Herausforderungen an, weswegen sie Bestandteil intensiver aktueller Forschung ist. Verschiedene Katalysatormaterialien zeigen unterschiedlich starke Selektivitäten zu unterschiedlichen Hauptprodukten. Entlang dieser Hauptprodukte kann eine Einteilung der CO2RR Katalysatoren in verschiedene Gruppen erfolgen [8, 9]. Inmitten dieser Materialien nimmt Kupfer eine Sonderstellung ein. Es ist das einzig bekannte Material, welches in der Lage ist, CO2 direkt in Kohlenwasserstoffe umzusetzen. Neben polykristallinem Kupfer [10, 11], Kupfereinkristallen [12] oder Kupfernanopartikeln [13], wurden auch dentritische Kupferstrukturen untersucht, beispielsweise Kupferschaummaterialien [14]. Die Struktur der Kupferschäume scheint zur Selektivitätssteuerung geeignet zu sein. Neue Möglichkeiten die Struktur der Kupferschäume in der Synthese unabhängig zu beeinflussen ist nötig. Die Möglichkeit der Modifikation mit Ionischen Flüssigkeiten (IL) könnte ebenfalls interessant sein und ist bisher nicht untersucht. Weiterhin hat sich jüngst gezeigt, dass die experimentellen Untersuchungen sehr herausfordernd sind. Oft werden nicht relevante hohe Stromdichten erreicht, experimentelle Parameter wie die Strömungsführung beeinflussen das Ergebnis und weiterhin sind geringste Mengen an Verunreinigungen zu vermeiden. Die neuesten Erkenntnisse sind in der Entwicklung eines neuen experimentellen Aufbaues umzusetzen, um Einflüsse der Katalysatorstruktur und IL Modifikation sinnvoll untersuchen zu können. Ziel dieser Arbeit ist die Etablierung eines experimentellen Aufbaus und Messprotokolls zur reproduzierbaren Messung der CO2 Reduktion an Kupferkatalysatoren, sowie Untersuchungen zur Modifikation der Struktur von Kupferschaumkatalysatoren und chemischen Modifikation mit ILs.