Forscher enträtseln die aktive Phase bei der katalytischen Kohlendioxidreduktion zu Methanol

Forscher der Universität Stockholm konnten erstmals die Oberfläche eines Kupfer-Zink-Katalysators untersuchen, wenn Kohlendioxid zu Methanol reduziert wird. Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Wissenschaft. Eine bessere Kenntnis des katalytischen Prozesses und die Möglichkeit, noch effizientere Materialien zu finden, öffnet die Tür für eine grüne Wende in der chemischen Industrie.

Methanol ist derzeit mit einer Jahresproduktion von 110 Millionen Tonnen eine der wichtigsten petrochemischen Grundchemikalien und kann in zehntausende verschiedene Produkte umgewandelt und beispielsweise für die Herstellung von Kunststoffen, Waschmitteln, Pharmazeutika und Kraftstoffen verwendet werden . Methanol hat auch das Potenzial, ein zukünftiger Energieträger zu werden, bei dem beispielsweise Flugbenzin mit abgeschiedenem Kohlendioxid und Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser anstelle von Erdgas hergestellt werden kann. Eine zukünftige grüne Transformation der chemischen Industrie, ähnlich wie beim grünen Stahl, wo Wind- oder Sonnenenergie Elektrolysezellen antreibt, ist daher möglich.

„Die Herausforderung bestand darin, die Katalysatoroberfläche mit oberflächensensitiven Methoden unter realen Reaktionsbedingungen bei relativ hohen Drücken und Temperaturen experimentell zu untersuchen. Diese Bedingungen waren viele Jahre lang nicht erreichbar und verschiedene Hypothesen darüber, dass Zink als Oxid, metallisch oder in Legierung verfügbar ist mit Kupfer entstanden, konnten aber nicht eindeutig verifiziert werden“, sagt Anders Nilsson, Professor für chemische Physik an der Universität Stockholm.

„Es ist großartig, dass wir dieses komplexe Thema der Methanolbildung an Kupfer-Zink-Katalysatoren nach vielen Jahren der Bemühungen beleuchten konnten“, sagt Peter Amann, Erstautor der Veröffentlichung.

„Das Besondere ist, dass wir in Stockholm ein Photoelektronenspektroskopie-Instrument gebaut haben, das Untersuchungen von Katalysatoroberflächen unter hohen Drücken erlaubt und dadurch direkt beobachten konnte, was passiert, wenn die Reaktion abläuft“, sagt David Degerman, Ph.D. Student der chemischen Physik an der Universität Stockholm. „Wir haben mit unserem neuen Instrument eine neue Tür in die Katalyse geöffnet.“

„Uns ist es gelungen, mit unserem Instrument zu demonstrieren, dass Zink direkt an der Oberfläche mit Kupfer legiert wird und dies spezielle atomare Stellen bereitstellt, an denen aus Kohlendioxid Methanol entsteht“, sagt Chris Goodwin, Forscher für Chemische Physik an der Universität Stockholm. „Bei industriellen Prozessen wird eine geringe Menge Kohlenmonoxid beigemischt, was die Bildung von Zinkoxid aus Kohlendioxid verhindert.“

„Unser Stockholmer Instrument an einer der hellsten Röntgenquellen der Welt bei PETRA III in Hamburg zu haben, war entscheidend für die Durchführung der Studie“, sagt Patrick Lömker, Postdoc an der Universität Stockholm. „Wir können uns jetzt die Zukunft mit noch helleren Quellen vorstellen, wenn die Maschine auf PETRA IV aufgerüstet wird.“

„Wir haben jetzt die Werkzeuge, um Forschungen durchzuführen, die zu möglichen anderen Katalysatormaterialien führen, die besser verwendet werden können, um zusammen mit durch Elektrolyse hergestelltem Wasserstoff für den grünen Übergang der chemischen Industrie zu passen, die heute vollständig auf fossilen Brennstoffen basiert und 8 % davon ausmacht der weltweiten Kohlendioxidemissionen“, sagt Anders Nilsson.