Elektrochemische Hydrierung von CO2 und Carbonylverbindungen mit Mangankomplexen

Der überwiegende Teil der bereitgestellten Bruttoendenergie beruht in Deutschland aktuell auf fossilen Brennstoffen und Kernenergie, wohingegen der Anteil an erneuerbaren Energien im Jahr 2019 lediglich bei 17,4 % lag. Nach Meinung der Bundesregierung und der internationalen Gesellschaft soll sich das jedoch in Zukunft ändern. So soll im Jahr 2022 das letzte Kernkraftwerk in Deutschland heruntergefahren werden und der CO2-Ausstoß als Folge der Verbrennung von Erdöl und -gas minimiert werden. Als Alternative sollen die erneuerbaren Energien wie z.B. Wind- und Solarenergie dienen. Grundlage dafür ist das in Kraft getretene Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), wodurch der Anteil an erneuerbaren Energien an der Bruttostromerzeugung in Deutschland von lediglich 6 % auf ca. 42 % im Jahr 2019 gesteigert wurde. Dem neuen Koalitionsvertrag von SPD, FDP und Bündnis 90/Die Grünen zufolge soll dieser Wert bis zum Jahr 2030 auf 80 % erhöht werden.

Da die Bereitstellung von Strom von erneuerbaren Energiequellen diskontinuierlich erfolgt, entsteht bei erweiterter Abdeckung ein Diskrepanz zwischen dem Verbrauch und der Generierung elektrischer Energie. Darüber hinaus bedarf die Energiegewinnung mit Windkraft- und Solaranlagen eines breiteren räumlichen Anspruchs als die herkömmliche Energiegewinnung mit fossilen Brennstoffen. Daher muss die Energie weiter transportiert und zwischengespeichert werden, bevor sie den Endverbraucher erreicht. Deshalb besteht ein dringender Bedarf nach Technologien, mit denen die bereitgestellte Energie direkt effizient genutzt werden kann. Dazu benötigt es einer Umwandlung der elektrischen Energieform in Wärmeenergie oder direkt in chemische Brennstoffe. Für die letztere Option stellt die Elektrochemie eine direkte Verbindung zwischen den beiden genannten Energieformen dar, da ein elektrisches Potential genutzt wird, um chemische Bindungen zu brechen und neue aufzubauen. Besonders attraktiv ist die Benutzung von CO2 als leicht verfügbarer Rohstoff und C1-Synthesebaustein. Dadurch kann CO2 in energiereichere Verbindungen wie beispielsweise CO oder HCOOH umgewandelt werden. Die Kombination von H2 und CO wird als Synthesegas bezeichnet und kann mit Hilfe von wohl etablierten Fischer-Tropsch Prozessen zu flüssigen Brennstoffen umgewandelt werden. HCOOH stellt dagegen direkt einen wichtigen industriellen Ausgangsstoff dar und hat Anwendung in Brennstoffzelllen und als H2-Speichermedium. Die Umwandlung von CO2 in diese beiden energiereicheren Produkte entspricht einer Reduktionsreaktion. Diese kann mit einer Oxidationsreaktion wie beispielsweise derWasseroxidation gekoppelt werden, sodass eine vollständige elektrochemische Zelle entsteht.

Neben der CO2-Reduktion kann die elektrische Energie von erneuerbaren Quellen auch direkt für Umwandlungen organischer Moleküle in der Synthese von Chemikalien genutzt werden. Die Elektrochemie hat sich dabei in den letzten Jahrzehnten als ein effizientes Werkzeug erwiesen, da damit die Bildung notwendiger reaktiver Verbindungen in situ in geringen Konzentrationen an der Elektrodenoberfläche stattfinden kann. Zudem können elektrochemische Transformationen oftmals bei Raumtemperatur durchgeführt werden, da die thermodynamische Triebkraft für die Reaktionen selektiv durch das elektrische Potential gesteuert werden kann. Dies macht eine energieeffizientere Reaktionsführung möglich.