Eine kürzlich Studie In Naturkommunikation von Forschern der Abteilung Grenzflächenwissenschaft am Fritz-Haber-Institut stellt einen neuen Fortschritt im Kampf gegen den Klimawandel vor. Ihre Studie „Reversible Metallclusterbildung auf mit Stickstoff dotiertem Kohlenstoff, der die Partikelgröße des Elektrokatalysators mit einer Genauigkeit im Subnanometerbereich steuert“ präsentiert eine neuartige Methode zum Verständnis der Mechanismen der Wiederverwendung von Kohlendioxid (CO2), die zu Kraftstoffen und Chemikalien führt. Diese Arbeit ebnet den Weg für die weitere Optimierung dieses katalytischen Prozesses, der von erneuerbarer Elektrizität angetrieben wird.
Der Kern dieser Entdeckung liegt in den faszinierenden Eigenschaften von Katalysatoren, die aus ultradispersen Kupfer- und Stickstoffatomen bestehen, die in Kohlenstoff eingebettet sind. Während des elektrokatalytischen CO2-Reduktionsprozesses (CO2RR), einem Prozess zur Umwandlung von CO2 in nützliche Chemikalien, können diese Katalysatoren dynamisch von Kupfer in Form einzelner Atome zu kleinen Clustern und Metallpartikeln, sogenannten Nanopartikeln, wechseln und dann wieder zurück, sobald das angelegte elektrische Potenzial erhöht oder auf einen positiveren Wert geändert wird.
Diese Kontrolle über diese reversible Umwandlung ist ein Schlüssel zur Steuerung der Katalysatorstruktur und damit auch zur Kontrolle des Ergebnisses des CO2RR-Prozesses, da die Produktselektivität stark von der Katalysatorstruktur abhängt.
Die Möglichkeit, Größe und Struktur der Katalysatorpartikel zu steuern, stellt eine große Herausforderung bei der Skalierung der CO2RR-Technologie für den praktischen Einsatz dar. Bisher erschwerte die breite Verteilung der verschiedenen Reaktionsprodukte die effiziente Herstellung bestimmter industriell relevanter Chemikalien und Kraftstoffe.
Diese Forschung bietet eine Methode, die Verteilung von CO2RR-Produkten durch Manipulation des Katalysatorzustands präzise zu steuern. Darüber hinaus ermöglicht das entwickelte Verfahren den Forschern zu verstehen, welche strukturellen Merkmale des Katalysators für die Produktion spezifischer Reaktionsprodukte verantwortlich sind.
Die Technik beinhaltet abwechselnde elektrische Impulse. Ein angelegtes negatives (kathodisches) Potential ist notwendig, um die CO2-Umwandlung voranzutreiben, es induziert aber auch die Bildung von Kupfernanopartikeln. Ein nachfolgender Impuls mit positiverem (anodischem) Potential kehrt diesen Prozess um und zerlegt die Nanopartikel wieder in einzelne Atome.
Durch Variation der Dauer dieser Impulse können die Forscher die Größe der gebildeten Nanopartikel steuern und kontrollieren, ob der Katalysator hauptsächlich aus einzelnen Atomen, ultrakleinen Metallclustern oder größeren metallischen Kupfernanopartikeln besteht. Jede Form des Katalysators eignet sich besser zur Herstellung unterschiedlicher CO2RR-Produkte. Beispielsweise sind einzelne Kupferatome effizient für die Wasserstoffproduktion, kleine Cluster begünstigen Methan und größere Nanopartikel sind am besten für die Ethylenproduktion geeignet.
Um die Umwandlung des Katalysators in Echtzeit zu überwachen und anzupassen, verwendete das Team die schnelle Operando-Röntgenabsorptionsspektroskopie. Diese fortschrittliche Synchrotron-basierte Technik ermöglicht es den Wissenschaftlern, den Katalysator während der Reaktion mit einer Zeitauflösung von unter einer Sekunde zu beobachten und so optimale Bedingungen für die gewünschten CO2RR-Produkte sicherzustellen.
Diese Studie liefert nicht nur ein tieferes Verständnis des Katalysatorverhaltens und der drastischen Strukturveränderungen, die während eines Betriebs stattfinden können. Sie wirft auch Licht auf die CO2-Reduktionsreaktion (CO2RR) und zeigt, wie sich die Kontrolle der Katalysatorstruktur auf den Prozess auswirken kann.
Die Forschungsarbeit zeigt zwar potenzielle Wege für technologische Anwendungen bei der Reduzierung von Treibhausgasen und der Produktion umweltfreundlicher Chemikalien und Kraftstoffe auf, doch in erster Linie handelt es sich dabei um einen bedeutenden Fortschritt in der wissenschaftlichen Forschung, der den Weg für künftige Fortschritte auf diesem Gebiet ebnet.
Weitere Informationen:
Janis Timoshenko et al., Reversible Metallclusterbildung auf Stickstoff-dotiertem Kohlenstoff zur Steuerung der Partikelgröße von Elektrokatalysatoren mit Subnanometergenauigkeit, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50379-w