Silbernanopartikel können helfen, Kohlendioxid mithilfe von Strom in Kohlenmonoxid umzuwandeln. Eine 2026 veröffentlichte Studie zeigt, dass Partikel mit etwa zehn Nanometern Durchmesser auf einem Kohlenstoffträger besonders gut funktionieren. Kombiniert das Forschungsteam die CO₂-Umwandlung mit einer weiteren Reaktion, sinkt zudem der Strombedarf der untersuchten Elektrolysezelle. Bis daraus klimafreundlicher Kochbrennstoff wird, sind allerdings noch mehrere Entwicklungsschritte nötig.
Wie kann Nanosilber die CO₂-Verwertung verbessern?
Hinter der Meldung steckt eine Frage, die für die Energiewende und die chemische Industrie gleichermaßen wichtig ist: Was lässt sich mit Kohlendioxid anfangen, das bereits angefallen ist? Ein Forschungsteam um Prashanth W. Menezes vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, kurz HZB, untersucht dafür eine elektrochemische Reaktion. Strom treibt die Umwandlung von CO₂ zu Kohlenmonoxid an. Dieses CO kann anschließend als Ausgangsstoff für weitere Chemikalien und Brennstoffe dienen.
Die neue Arbeit betrachtet zwei Stellschrauben zugleich: die Größe der Silberpartikel und die Menge an Silber auf der Elektrode. Außerdem prüft das Team, ob eine andere Reaktion an der Gegenelektrode den Betrieb der gesamten Zelle günstiger machen kann. Die Ergebnisse sind vielversprechend, gelten zunächst aber für die untersuchten Materialien und Versuchsbedingungen.
| Frage | Ergebnis der Studie | Was bedeutet das? |
|---|---|---|
| Welche Partikelgröße war besonders geeignet? | Silbernanopartikel mit etwa 10 Nanometern Durchmesser | Die Größe beeinflusst, welche Reaktion an der Elektrode bevorzugt abläuft. |
| Wie war die Elektrode zusammengesetzt? | Die optimierte Mischung enthielt 20 Massenprozent Silber auf einem Kohlenstoffträger. | Auch die Verteilung und Menge des Silbers sind für die Leistung entscheidend. |
| Was entstand aus CO₂? | Kohlenmonoxid, kurz CO | CO ist ein Zwischenprodukt für die Herstellung weiterer Stoffe. |
| Was brachte die zusätzliche Reaktion? | Der Energiebedarf der untersuchten Gesamtzelle sank um mehr als 30 Prozent. | Die Wahl der Reaktion an beiden Elektroden beeinflusst die Wirtschaftlichkeit. |
| Wie lange wurde die Stabilität gezeigt? | Die optimierte Elektrode wurde über 100 Stunden untersucht. | Das ist ein wichtiger Laborbefund, aber noch kein Nachweis für jahrelangen Betrieb. |
Faktenbox: Meldung, Bedeutung, Einordnung
Meldung: Ein internationales Forschungsteam hat Silbernanopartikel für die elektrochemische Umwandlung von CO₂ untersucht und die Reaktionen an beiden Elektroden kombiniert.
Bedeutung: Die Ergebnisse zeigen einen Weg, CO gezielt herzustellen und zugleich den Strombedarf der untersuchten Zelle zu senken.
Einordnung: Relevant ist das vor allem für Forschung und Industrie, die CO₂ als Rohstoff nutzen möchten. Ein marktreifes Verfahren oder ein fertiger Kochbrennstoff wurde damit noch nicht vorgestellt.
Was ist bei der Forschung zur CO₂-Verwertung passiert?
Das Team stellte Silbernanopartikel unterschiedlicher Größe her und brachte sie auf einem leitfähigen Kohlenstoffmaterial auf. Anschließend testete es die beschichteten Elektroden in einer Elektrolysezelle. Die untersuchten Partikel hatten Durchmesser im Bereich von etwa sechs bis 15 Nanometern. Ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter. Die Teilchen sind also so klein, dass ihre Eigenschaften stark von ihrer Oberfläche abhängen.
Die Forschenden wollten herausfinden, unter welchen Bedingungen möglichst viel des eingesetzten Stroms tatsächlich zur Bildung von Kohlenmonoxid beiträgt. Das Ergebnis: In den untersuchten Versuchen schnitten Partikel mit ungefähr zehn Nanometern Durchmesser besonders gut ab. Entscheidend war auch, wie viel Silber aufgebracht wurde und wie es auf dem Kohlenstoffträger verteilt war.
Die Veröffentlichung erschien im September 2026 in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials. Das HZB stellte die Ergebnisse am 24. September 2026 vor. Die Arbeit entstand im Umfeld von GreenQUEST, einer deutsch-südafrikanischen Forschungskooperation zur Entwicklung eines möglichen Herstellungswegs für grünen Kochbrennstoff.
Warum reicht die Partikelgröße allein nicht als Erklärung?
Ein Katalysator beschleunigt oder begünstigt eine chemische Reaktion, ohne selbst als Rohstoff verbraucht zu werden. Bei einer Elektrode zählt dafür nicht allein, aus welchem Material sie besteht. Auch ihre Oberfläche, die Anordnung der Partikel und der Kontakt zum Trägermaterial spielen eine Rolle.
Sehr kleine Silberpartikel bieten zwar viel Oberfläche. Nach Angaben des Forschungsteams können sie aber stärker die Bildung von Wasserstoff fördern. Dieser konkurriert an der CO₂-Elektrode mit der gewünschten Herstellung von CO. Größere Partikel zeigten wiederum eine geringere katalytische Aktivität. Zwischen diesen beiden Bereichen lag unter den getesteten Bedingungen das Optimum bei etwa zehn Nanometern.
Das bedeutet nicht, dass zehn Nanometer für jede denkbare Anlage die beste Größe sind. Ändern sich Elektrolyt, Stromdichte, Zellaufbau oder Betriebsdauer, kann sich auch die optimale Auslegung verschieben. Die Studie liefert vor allem eine nachvollziehbare Grundlage, um solche Elektroden gezielter zu entwickeln.
Wie funktioniert die Elektrolyse von CO₂ zu Kohlenmonoxid?
Bei der Elektrolyse fließt elektrischer Strom durch eine Zelle mit zwei Elektroden. An der Kathode nimmt Kohlendioxid Elektronen auf und wird zu Kohlenmonoxid reduziert. An der Anode läuft eine zweite Reaktion ab, bei der Elektronen abgegeben werden. Beide Seiten gehören zusammen: Die Leistung einer Elektrolysezelle lässt sich deshalb nicht sinnvoll beurteilen, wenn man nur die Kathode betrachtet.
In der untersuchten Zelle gelangt CO₂ an eine sogenannte Gasdiffusionselektrode. Dieser Aufbau soll den Kontakt zwischen Gas, Elektrolyt und Katalysator verbessern. Auf der Elektrode sitzen die Silbernanopartikel, getragen von leitfähigem Kohlenstoff. Das Silber begünstigt die Bildung von CO.
- CO₂ wird der Kathodenseite der Zelle zugeführt.
- Elektrischer Strom ermöglicht die elektrochemische Reaktion an den Silberpartikeln.
- Es entsteht Kohlenmonoxid, das für weitere chemische Prozesse genutzt werden kann.
- An der Anode läuft eine ergänzende Oxidationsreaktion ab.
- Die Produkte müssen anschließend getrennt und für ihre jeweilige Verwendung aufbereitet werden.
Kohlenmonoxid ist giftig. In diesem Zusammenhang handelt es sich um einen industriellen Zwischenstoff für geschlossene technische Prozesse, nicht um ein Gas zur direkten Nutzung im Haushalt. Erst weitere Verarbeitungsschritte könnten daraus einen geeigneten Brennstoff machen.
Was bedeutet eine fast hundertprozentige faradaische Effizienz?
Die faradaische Effizienz beschreibt, welcher Anteil der elektrischen Ladung zur Bildung eines bestimmten Produkts beiträgt. Wenn sie für CO nahezu 100 Prozent beträgt, fließt unter den angegebenen Messbedingungen fast die gesamte betrachtete Ladung in die gewünschte CO-Bildung und nur ein kleiner Anteil in konkurrierende Reaktionen.
Das ist ein starkes Ergebnis für die Selektivität des Katalysators. Es bedeutet jedoch nicht, dass die gesamte Anlage Strom ohne Verluste in Kohlenmonoxid umwandelt. Für die energetische Gesamtbewertung zählen unter anderem die benötigte Zellspannung, Nebenaggregate, die CO₂-Bereitstellung und die Trennung der Produkte. Auch die spätere Weiterverarbeitung zu Brennstoffen verbraucht Energie.
Faktenbox: Zwei verschiedene Effizienzfragen
Faradaische Effizienz: Wie gezielt verwendet die Zelle die elektrische Ladung für das gewünschte Produkt?
Energieeffizienz: Wie viel der eingesetzten Energie steckt am Ende im nutzbaren Produkt? Dafür müssen weitere Verluste und Verarbeitungsschritte berücksichtigt werden.
Warum macht die Reaktion an der Anode einen Unterschied?
Bei einer üblichen CO₂-Elektrolyse entsteht an der Anode häufig Sauerstoff. Die dafür nötige Sauerstoffentwicklung benötigt vergleichsweise viel elektrische Energie. Zudem ist Sauerstoff in diesem Konzept kein besonders wertvolles Zusatzprodukt. Die Forschenden prüften daher, ob sich die Anodenreaktion durch die Oxidation eines anderen Ausgangsstoffs ersetzen lässt.
In der veröffentlichten Arbeit untersuchten sie insbesondere Formaldehyd als Stoff für die Anodenseite. Bei dessen Oxidation kann Ameisensäure entstehen. Nach Angaben des HZB bildet sich im kombinierten Prozess außerdem Wasserstoff. Zusammen mit dem an der Kathode erzeugten CO entstehen damit mehrere potenziell nutzbare Produkte.
Für die untersuchte Zelle verringerte die Kombination der Reaktionen den Energiebedarf um mehr als 30 Prozent gegenüber dem verglichenen Betrieb mit Sauerstoffentwicklung. Diese Zahl beschreibt den Vergleich innerhalb der Studie. Sie sollte nicht pauschal als Stromersparnis für jede künftige CO₂-Anlage gelesen werden.
Warum sind zusätzliche Produkte wirtschaftlich interessant?
Eine Anlage wird attraktiver, wenn sie aus eingesetzten Rohstoffen und Energie mehrere verwertbare Produkte gewinnt. CO und Wasserstoff können beispielsweise als Bestandteile eines Synthesegases dienen. Ameisensäure ist ebenfalls ein chemischer Grundstoff mit möglichen industriellen Anwendungen.
Ob diese Rechnung im großen Maßstab aufgeht, hängt jedoch von den tatsächlichen Produktionsmengen, der Reinheit und den Marktpreisen ab. Hinzu kommen die Kosten für Formaldehyd, Anlagenbetrieb, Produkttrennung und Transport. Eine gute Reaktion im Labor ist ein Baustein für eine Wirtschaftlichkeitsrechnung, noch nicht deren Ergebnis.
Gerade beim Formaldehyd ist außerdem eine sorgfältige Bewertung nötig: Der Stoff ist gesundheitlich problematisch und muss sicher gehandhabt werden. Soll eine solche gekoppelte Elektrolyse nachhaltig sein, kommt es auch darauf an, woher der eingesetzte Stoff stammt und welche Umweltlasten bei seiner Herstellung entstehen.
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Welche Rolle spielt Nanosilber bei der CO₂-Verwertung?
Silber ist für die elektrochemische CO₂-Reduktion interessant, weil es die Bildung von Kohlenmonoxid begünstigen kann. Die neue Studie zeigt, wie stark die Leistung von der konkreten Gestaltung der Katalysatorschicht abhängt. Eine größere Menge Silber führt nicht automatisch zum besseren Ergebnis. Die Partikel brauchen eine geeignete Größe und müssen auf dem Trägermaterial so angeordnet sein, dass die Reaktionspartner die aktiven Stellen erreichen können.
Die optimierte Zusammensetzung enthielt 20 Massenprozent Silber und 80 Massenprozent Kohlenstoffträger. Das HZB nennt für die Elektrode eine Silberbeladung von 0,2 Milligramm pro Quadratzentimeter. Beide Angaben beschreiben unterschiedliche Dinge: Der Massenanteil bezieht sich auf die Mischung der Materialien, die Beladung auf die Fläche der Elektrode.
Der Kohlenstoffträger ist dabei mehr als bloßes Füllmaterial. Er ermöglicht eine leitfähige und verteilte Katalysatorschicht. Untersuchungen der Forschenden deuten darauf hin, dass die Wechselwirkung zwischen Silber und Kohlenstoff auch die Bildung eines wichtigen Zwischenprodukts der CO₂-Umwandlung beeinflusst. Fachleute bezeichnen dieses gebundene Zwischenprodukt als *COOH. Seine Bildung ist ein Schritt auf dem Weg von CO₂ zu CO.
Was sagt der Stabilitätstest über die Elektrode aus?
Die optimierte Elektrode wurde über einen Zeitraum von 100 Stunden untersucht und zeigte dabei eine nahezu hundertprozentige faradaische Effizienz für CO. Mit Röntgen-Photoelektronenspektroskopie prüfte das Team außerdem die Oberfläche nach dem Betrieb. Diese Methode liefert Informationen über die chemischen und elektronischen Zustände von Materialien. Die Befunde deuteten darauf hin, dass das Silber weitgehend in seinem metallischen Zustand blieb.
Für die Forschung ist das wichtig: Ein Katalysator muss nicht nur zu Beginn gut funktionieren, sondern während des Betriebs möglichst stabil bleiben. Hundert Stunden sind dafür ein aussagekräftiger erster Test. Eine kommerzielle Anlage müsste sich jedoch über erheblich längere Zeiträume bewähren. Dabei können andere Probleme auftreten, etwa Ablagerungen, Veränderungen der Elektrodenschicht oder schwankende Betriebsbedingungen.
Kann aus CO₂ tatsächlich Kochbrennstoff entstehen?
Grundsätzlich ja, aber nicht in einem einzigen Schritt. Die Elektrolyse liefert zunächst CO. Zusammen mit Wasserstoff kann daraus Synthesegas für nachfolgende chemische Verfahren bereitgestellt werden. Durch weitere katalytische Umwandlungen lassen sich daraus Kohlenwasserstoffe herstellen. Im GreenQUEST-Projekt steht ein grüner Flüssiggasbrennstoff im Mittelpunkt, der vor allem Propan und Butan enthalten soll.
Propan und Butan sind als Bestandteile von Flüssiggas bekannt. Das Forschungsvorhaben möchte einen Herstellungsweg entwickeln, bei dem der Kohlenstoff aus zuvor erfasstem CO₂ stammt und die benötigte Energie möglichst aus erneuerbaren Quellen kommt. Als möglicher Anwendungsfall wird ein Kochbrennstoff für Regionen in Südafrika untersucht, in denen Haushalte weiterhin Brennholz verwenden.
Zwischen der jetzt untersuchten Elektrode und einer verfügbaren Brennstoffversorgung liegen allerdings mehrere Aufgaben:
- CO₂ muss in ausreichender Menge und geeigneter Qualität bereitgestellt werden.
- Die Elektrolyse muss über längere Zeit stabil und effizient laufen.
- CO und Wasserstoff müssen passend für die weitere Synthese erzeugt oder aufbereitet werden.
- Die Umwandlung zu Propan und Butan braucht zusätzliche Anlagen und Energie.
- Der fertige Brennstoff muss sicher gelagert, verteilt und bezahlbar angeboten werden.
Ein Beispiel macht den Unterschied deutlich: Eine Elektrode, die im Versuch sehr gezielt CO produziert, löst bereits einen wichtigen Teil des Herstellungswegs. Sie beantwortet aber noch nicht, wie teuer eine gefüllte Gasflasche vor Ort wäre. Dafür müsste die gesamte Kette vom CO₂-Ausgangsstoff bis zur Nutzung im Haushalt untersucht werden.
Ist Brennstoff aus recyceltem CO₂ klimaneutral?
Das lässt sich aus der Studie allein nicht ableiten. Wenn ein aus CO₂ hergestellter Brennstoff verbrannt wird, gelangt sein Kohlenstoff wieder als CO₂ in die Atmosphäre. Ein möglicher Klimavorteil entsteht, wenn dafür zuvor erfasstes CO₂ verwendet und fossiler Kohlenstoff ersetzt wird. Zusätzlich muss der Strom für die Herstellung mit geringen Treibhausgasemissionen erzeugt werden.
Entscheidend ist eine Betrachtung der gesamten Herstellungskette. Woher stammt das CO₂? Wie wird es abgeschieden und transportiert? Wie werden Wasserstoff und weitere Einsatzstoffe hergestellt? Welche Energie benötigen Elektrolyse, chemische Synthese und Verteilung? Erst mit diesen Angaben lässt sich die Treibhausgasbilanz belastbar berechnen.
Auch der Vergleich mit anderen Kochmöglichkeiten ist wichtig. Ein synthetischer Gasbrennstoff kann im jeweiligen Versorgungskontext Vorteile haben, etwa wenn vorhandene Geräte oder eine geeignete Verteilung genutzt werden können. In anderen Situationen könnten direkte elektrische Lösungen günstiger oder energieeffizienter sein. Welche Technik praktisch sinnvoll ist, hängt von Infrastruktur, Kosten, Verfügbarkeit und den Bedürfnissen der Haushalte ab.
Faktenbox: Was die Studie belegt und was noch offen ist
- Belegt im untersuchten Aufbau: Die optimierte Silber-Kohlenstoff-Elektrode erzeugte CO mit sehr hoher Selektivität.
- Gezeigt im Zellvergleich: Die gekoppelte Reaktion konnte den Energiebedarf deutlich senken.
- Noch zu prüfen: Dauerbetrieb, Herstellungskosten, Herkunft der Einsatzstoffe und Klimabilanz der vollständigen Brennstoffkette.
Für wen sind die Ergebnisse besonders relevant?
Für die Katalyseforschung liefert die Arbeit Hinweise, wie Partikelgröße und Materialmenge getrennt voneinander bewertet werden können. Das erleichtert es, weitere Elektroden gezielt zu vergleichen, statt nur möglichst viel Katalysator aufzubringen.
Für Unternehmen aus Chemie und Energietechnik ist vor allem die Kombination beider Elektrodenreaktionen interessant. Wenn eine Anodenreaktion weniger Strom benötigt und zugleich ein nutzbares Produkt liefert, kann sich die Bilanz eines Verfahrens verändern. Eine wirtschaftliche Anwendung muss dafür jedoch die Kosten und Sicherheitsanforderungen der gesamten Anlage erfüllen.
Für die Klimadebatte zeigt die Studie einen möglichen Baustein der CO₂-Nutzung. Solche Technologien können Rohstoffe für Prozesse liefern, die Kohlenstoff weiterhin benötigen. Sie ersetzen nicht die Aufgabe, vermeidbare Emissionen zu senken. Wie groß ihr Nutzen ausfällt, entscheidet die konkrete Umsetzung.
Welche Fragen zur Nanosilber-Elektrolyse sind noch offen?
Ist das Verfahren schon im industriellen Einsatz?
Die beschriebene Veröffentlichung berichtet über Forschung an einer Elektrolysezelle. Sie belegt keinen industriellen Dauerbetrieb und kündigt kein fertiges Brennstoffprodukt an. Vor einer breiten Anwendung müssten unter anderem größere Elektrodenflächen, lange Laufzeiten und die Kosten des Gesamtsystems geprüft werden.
Ist Silber als Katalysator zu teuer?
Silber hat einen Materialpreis, der bei einer technischen Anlage berücksichtigt werden muss. Gerade deshalb ist die benötigte Menge wichtig. Die Studie zeigt, dass eine geeignete Verteilung und Mischung mit Kohlenstoff eine hohe Leistung ermöglichen kann. Ob die Materialkosten im Verhältnis zur Lebensdauer und Produktmenge wirtschaftlich sind, bleibt eine Frage für weitere Untersuchungen.
Entsteht bei der CO₂-Elektrolyse direkt Propan oder Butan?
Nein. Das in dieser Studie betrachtete Produkt an der CO₂-Elektrode ist Kohlenmonoxid. Propan und Butan wären mögliche Produkte nach weiteren chemischen Verarbeitungsschritten. Die hohe CO-Ausbeute darf deshalb nicht mit einer ebenso hohen Ausbeute an fertigem Flüssiggas gleichgesetzt werden.
Warum wird Formaldehyd eingesetzt?
Die Forschenden nutzen seine Oxidation als Alternative zur energieintensiven Sauerstoffentwicklung an der Anode. Dabei kann Ameisensäure entstehen. Ob Formaldehyd für eine spätere Anwendung der beste Einsatzstoff ist, hängt unter anderem von Beschaffung, Preis, Sicherheit und Umweltbilanz ab.
Welche rechtlichen und gesundheitlichen Grenzen gelten?
Kohlenmonoxid ist giftig, Formaldehyd erfordert wegen seiner Gesundheitsgefahren einen kontrollierten Umgang, und Nanomaterialien müssen bei Herstellung und Verarbeitung angemessen bewertet werden. Eine industrielle Nutzung braucht geeignete technische Schutzmaßnahmen und muss die jeweils geltenden Regeln für Chemikalien, Arbeitsschutz, Anlagenbetrieb und Produkte erfüllen. Aus den Laborergebnissen folgt keine Freigabe für eine Anwendung außerhalb entsprechend gesicherter Verfahren.
Was lässt sich aus der Studie zur CO₂-Verwertung mit Nanosilber mitnehmen?
Die neue Arbeit zeigt, wie präzise die Gestaltung einer Elektrode sein muss: Silbernanopartikel von etwa zehn Nanometern Durchmesser erzielten in der untersuchten Anordnung eine besonders hohe CO-Ausbeute. Eine ergänzende Reaktion an der Anode senkte zudem den Energiebedarf der Zelle und lieferte weitere nutzbare Stoffe. Das ist ein Fortschritt für die Entwicklung elektrochemischer CO₂-Verfahren. Ob daraus ein bezahlbarer und klimafreundlicher Kochbrennstoff entsteht, muss die Forschung entlang der gesamten Herstellungskette noch zeigen.
Wo findest Du die Originalpublikation und weitere Informationen?
Originalpublikation: 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 und Prashanth W. Menezes: Decoupling the Size and Loading Effects in Silver Nanoparticles for Efficient Paired Carbon Dioxide and Formaldehyde Electrolysis. Advanced Functional Materials, 2026. DOI: 10.1002/adfm.78365.
Weitere Informationen bieten die Meldung des Helmholtz-Zentrums Berlin und die Website von GreenQUEST Africa.
Quelle / Infos / Pressemitteilung: https://idw-online.de/de/news877963 und https://www.greenquest.africa/
Michael Färber beschäftigt sich seit 2018 intensiv mit Cannabis, Hanf und CBD. Er absolvierte den Master of Cannabis Industry sowie die Ausbildung zum ACM-zertifizierten Berater für Medikamente auf Cannabisbasis. Dieser Artikel wurde von ihm redaktionell erstellt und geprüft und basiert auf eigener Recherche, Pressemitteilungen, aktuellen News, wissenschaftlichen Studien, langjähriger Erfahrung sowie modernen Bild-, Recherche- und Textwerkzeugen. Weitere Informationen findest du hier: Autorenvorstellung von Michael Färber
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