Untersuchung ternärer Metallsulfide als Elektrokatalysatoren für Kohlendioxid-Reduktionsreaktionen

Eine der vielversprechendsten Möglichkeiten, den CO2-Gehalt in der Atmosphäre aktiv zu reduzieren, ist das Recycling des CO2 in wertvolle Chemikalien durch elektrokatalytische CO2-Reduktionsreaktionen. Mit einem geeigneten Elektrokatalysator kann dies unter milden Bedingungen und mit geringem Energieaufwand erreicht werden.

Viele Arten von Elektrokatalysatoren werden aktiv erforscht, die meisten weisen jedoch entweder eine geringe elektrokatalytische Aktivität, schlechte Selektivität oder geringe Stabilität auf.

Metallsulfide könnten die große potenzielle Lösung dieses Rätsels sein. Durch die Kombination ionischer und kovalenter Eigenschaften bietet diese einzigartige Materialfamilie gute katalytische Aktivität und Energieeffizienz.

Das ternäre Metallsystem dürfte eine bessere Lösung sein, da einfache Metallsulfide jüngsten Studien zufolge bei CO2-Reduktionsreaktionen immer noch nur wenige einfache Kohlenstoffverbindungen ergeben können und daher nicht vielseitig einsetzbar sind. Es gibt jedoch immer noch sehr wenige Veröffentlichungen, die die Funktionalität ternärer Metallsulfide als CO2-Reduktionselektrokatalysatoren diskutieren.

Vor diesem Hintergrund bemühte sich ein Forschungsteam unter der Leitung von Assistenzprofessor Akira Yamaguchi vom Tokyo Institute of Technology (Japan), den Trend ternärer Metallsulfide zu untersuchen, über den bislang nirgendwo berichtet wurde.

In ihrer neuesten Studie, die veröffentlicht In Materialwissenschaft und Werkstofftechnik: R: Berichtekombinierten sie experimentelle Datenanalyse und maschinelles Lernen, um Einblicke in dieses unerforschte Gebiet der Materialwissenschaft zu gewinnen.

„Ternäre Metallsulfide bieten möglicherweise synergistische Bimetalleffekte, die die CO2-Reduktionsleistung verbessern. Diese Materialien besitzen jedoch komplexe elektronische Strukturen und es ist schwierig, ihre Adsorptionsenergie für Zwischenverbindungen zu nutzen, um die Leistungstrends von Elektrokatalysatoren verschiedener Metalle und Legierungen zu analysieren“, erklärt Yamaguchi.

Um diese Herausforderungen zu überwinden, entwickelten die Forscher eine neuartige Screening-Methode. Im Gegensatz zu früheren Screening-Methoden, die oft rechenintensive Berechnungen der Adsorptionsenergien von Elektrokatalysatoren erfordern, konzentrierten sich die Forscher auf die Analyse leichter messbarer und berechenbarer Materialeigenschaften, die aus Experimenten und Datenanalysen abgeleitet wurden.

Anhand experimenteller Daten, die sie aus verschiedenen Messungen ihrer eigenen synthetisierten Metallsulfidproben gewonnen hatten, berechneten die Forscher eine Reihe von Materialeigenschaften, die Struktur-, Volumen- und Oberflächenparameter darstellen.

Sie maßen auch die elektrochemische CO2-Reduktionsaktivität der Materialien. Zusätzlich verwendeten sie vier verschiedene hochdimensionale Regressionsalgorithmen innerhalb der maschinellen Lernmodelle, um mögliche Zusammenhänge zwischen Materialeigenschaften und elektrokatalytischer Leistung aufzudecken.

Auf diese Weise entwickelten die Forscher einen optimierten Arbeitsablauf, mit dem wichtige Parameter ermittelt werden können, um den Ursprung der hohen Aktivität in elektrokatalytischen Materialien zu erklären. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Studie war, dass die Konzentration auf die Kristallstruktur ternärer Metallsulfide zu besseren Ergebnissen führt, als wenn man sich nur auf ihre Elementzusammensetzung konzentriert.

„Unser Ansatz ist weniger aufwändig als andere Screening-Techniken und erfordert keine experimentellen Werkzeuge mit hohem Durchsatz. Darüber hinaus ist er verallgemeinerbar und auf viele Materialien anwendbar, was ihn angesichts der begrenzten Verfügbarkeit von Daten zur Materialaktivität für CO2-Reduktionsreaktionen besonders nützlich macht“, erklärt Yamaguchi.

Das Forschungsteam hofft, dass seine Bemühungen zu wirksamen Designrichtlinien für die Entwicklung von CO2-Umwandlungskatalysatoren unter Verwendung von in der Natur allgegenwärtigen Materialien führen werden und dass seine Richtlinien möglicherweise auch auf andere Forschungsfelder angewendet werden können.