Neue Mo-Karbid-Katalysatoren zeigen hohe Stabilität und Aktivität bei der CO₂-Umwandlung

Molybdän (Mo)-Karbide, bekannt für ihre einzigartigen elektronischen und strukturellen Eigenschaften, gelten als vielversprechende Alternative zu Edelmetallkatalysatoren in der heterogenen Katalyse. Traditionelle Methoden zur Herstellung von Mo-Karbiden sind jedoch mit komplexen Prozessen, strengen Synthesebedingungen, anspruchsvoller Kristallregulierung und hohem Energieverbrauch behaftet. Darüber hinaus sind Mo-Karbide anfällig für Oxidation und Deaktivierung, was eine erhebliche Barriere für ihre breite Anwendung darstellt.

In einer Studie veröffentlicht In NaturchemieEine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Sun Jian vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinese Academy of Sciences (CAS) hat eine einfache Strategie zur Herstellung von Mo-Carbid-Katalysatoren für eine effiziente CO2-Umwandlung entwickelt, wobei der komplizierte Aufkohlungsprozess traditioneller Methoden umgangen wird.

Die Forscher stellten einen Ir-modifizierten MoO3-Katalysator mithilfe einer einstufigen Flammensprühpyrolyse (FSP) her, die aufgrund der schnellen Abschreckung durch hohe Temperaturen zu metastabilen Mo-Oxidspezies führte. Diese einzigartige Struktur erleichterte die reaktionsinduzierte Karburierung während der RWGS-Reaktion und erzeugte so oxidationsbeständige aktive Stellen aus Mo-Oxycarbid (MoOxCy).

Der Katalysator zeigte eine hervorragende Aktivität und Stabilität und unterstrich damit die Überlegenheit reaktionsinduzierter Molybdäncarbid-Katalysatoren. Bei 600 °C erreichte er eine CO-Produktionsrate von 17,5 mol gcat-1 h-1 mit 100 % CO-Selektivität. Während eines 2.000-stündigen Stabilitätstests wurde keine signifikante Deaktivierung beobachtet, was sein großes Potenzial für industrielle Anwendungen zeigt.

Weitere Untersuchungen ergaben, dass die entscheidenden aktiven Stellen in der RWGS-Reaktion die ungesättigten MoOxCy-Spezies auf der Oberfläche der Mo-Karbide waren. Diese Spezies konnten in der kombinierten Reduktions-, Aufkohlungs- und Oxidationsatmosphäre ein dynamisches Gleichgewicht aufrechterhalten und so eine starke Deaktivierung verhindern.

Darüber hinaus schlugen die Forscher einen neuen Kohlenstoffkreislaufweg in der RWGS-Reaktion vor, der thermodynamisch günstiger war als der traditionelle Redoxweg, indem er die H2-Dissoziation durch *COH-Spezies förderte. Dieser Weg könnte als Ergänzung zum Redoxmechanismus dienen, die CO2-Umwandlung an Mo-Karbiden verbessern und zu einer besseren katalytischen Leistung führen.

„Unsere Studie bietet eine Strategie zur Entwicklung von Mo-Carbiden als effiziente Katalysatoren mit geringem Energieaufwand und ebnet den Weg für die Anwendung eines kostengünstigen Katalysatorsystems auf Mo-Basis zur CO2-Nutzung“, sagte Prof. Sun.