Chemiker haben eine Struktur im Nanomaßstab entwickelt, die Kupfer, Gold und Silber kombiniert, um als überlegener Katalysator in einer chemischen Reaktion zu wirken, deren verbesserte Leistung von entscheidender Bedeutung ist, wenn die Bemühungen zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung erfolgreich sein sollen, um zur Eindämmung der globalen Erwärmung beizutragen.
Eine Studie, die den Prozess beschreibt, erschien in der Zeitschrift Nanoforschung am 15. März.
Angesichts der Herausforderung des Klimawandels haben sich die politischen Entscheidungsträger in den letzten Jahren zunehmend auf die Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (CCU) konzentriert, bei der CO2 aus der Atmosphäre entnommen und dann als Ausgangsstoff für Industriechemikalien (wie z Kohlenmonoxid, Ameisensäure, Ethylen und Ethanol) oder zur Herstellung CO2-neutraler synthetischer Kraftstoffe (besonders nützlich für schwer zu elektrifizierende Verkehrssektoren wie Langstreckenluftfahrt und Schifffahrt). Solange der letztere Prozess mit sauberem Strom betrieben wird, bietet er auch eine Möglichkeit, erneuerbare Energie langfristig zu speichern – der heilige Gral, um die Schwankungen von Energieoptionen wie Wind- und Solarenergie zu überwinden.
Eine Möglichkeit, all dies zu erreichen, ist eine chemische Reaktion, die als elektrochemische CO2-Reduktionsreaktion (eCO2RR oder einfach ECR) bezeichnet wird. Dieses verwendet Elektrizität, um die Umwandlung des Gases in andere nutzbare Substanzen anzutreiben, indem die Kohlenstoffatome von CO2 von seinen Sauerstoffatomen getrennt werden. Wasser kann in einigen Arten von ECR auch Wasserstoff-„Donoren“ bereitstellen, wobei die Kohlenstoffatome mit Wasserstoff kombiniert werden, um verschiedene Arten von Kohlenwasserstoffen oder Alkoholen zu erzeugen.
Der Schlüssel zur ECR ist die Verwendung des richtigen Katalysators oder einer chemischen Substanz, deren Struktur und Ladung es ihr ermöglicht, eine chemische Reaktion auszulösen oder zu beschleunigen. Als Katalysatoren wurden verschiedene Metalle verwendet, je nachdem, welches Endprodukt gewünscht wird. Katalysatoren, die nur eine Metallart verwenden, sind beispielsweise Zinn zur Herstellung von Ameisensäure, Silber für Kohlenmonoxid (CO) und Kupfer für Methan, Ethylen oder Ethanol.
Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens kann jedoch eingeschränkt werden, wenn ECR mit der Tendenz von Wasserstoffatomen innerhalb der elektrochemischen Wasserspaltung konkurriert, sich mit sich selbst zu paaren, anstatt sich mit den Kohlenstoffatomen zu verbinden. Dieser Wettbewerb kann zur Produktion (oder „Auswahl“) eines anderen chemischen Endprodukts als des gewünschten führen. Deshalb suchen Chemiker seit langem nach Katalysatoren mit hoher „Selektivität“.
Anstatt nur ein einzelnes Metall als Katalysator zu verwenden, haben sich Forscher in letzter Zeit der Verwendung von Heterostrukturen zugewandt, die zwei unterschiedliche Materialien enthalten, deren kombinierte Eigenschaften unterschiedliche oder bessere Ergebnisse als jedes der einzelnen Materialien für sich allein erzeugen.
Einige der Heterostrukturen, die für ECR getestet wurden, umfassen die Kombination von Silber und Palladium in einer verzweigten Formation (AgPd-„Nanodentrite“) und verschiedene andere Kombinationen von zwei Metallen in sandwichartigen, röhrenartigen, pyramidenförmigen und anderen Formen. Forscher haben beachtliche Erfolge mit bimetallischen Heterostrukturen erzielt, die Kupfer enthalten – das CO2 sehr gut in Produkte umwandeln kann, die zwei Kohlenstoffatome verwenden. Zu diesen bimetallischen Heterostrukturen gehören Silber-Kupfer (AgCu), Zink-Kupfer (ZnCu) und Gold-Kupfer (AuCu), wobei letzteres einen besonderen Selektivitätserfolg für Methan, C2 und Kohlenmonoxid aufweist.
„Wir dachten, wenn zwei Metalle gute Ergebnisse liefern, dann wären vielleicht drei Metalle noch besser“, sagte Zhicheng Zhang, Nanochemiker an der Tianjin-Universität und Mitautor der Studie.
Also konstruierten die Forscher eine trimetallische Nanostruktur, die Gold, Silber und Kupfer kombinierte und eine asymmetrische Form aufwies. Die Form und das genaue Verhältnis der drei Metalle können durch ein mehrstufiges Wachstumsverfahren verändert werden. Insbesondere werden zunächst Gold-„Nanopyramiden“ synthetisiert und als „Keime“ für das anschließende Wachstum verschiedener dreimetallischer Strukturen mit unterschiedlichen Verhältnissen der drei Metalle verwendet.
Sie fanden heraus, dass sie aufgrund der einzigartigen Form ihres Heterostrukturdesigns und durch Veränderung der Verhältnisse dieser drei Metalle die Selektivität für verschiedene C2-basierte Produkte sorgfältig abstimmen konnten. Insbesondere die Produktion von Ethanol (C2H6O) wurde maximiert, indem eine Heterostruktur verwendet wurde, bei der das Zufuhrverhältnis jeweils ein Atom Gold und Silber in Kombination mit fünf Kupferatomen umfasste.
Die Arbeit legt eine vielversprechende Strategie für die Entwicklung anderer trimetallischer Nanomaterialien innerhalb der ECR-Entwicklung fest.
Yating Zhu et al, Selektivitätsregulierung der CO2-Elektroreduktion an asymmetrischen AuAgCu-Tandem-Heterostrukturen, Nanoforschung (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-4234-5