Katalysator mit steuerbarer Struktur

Forschende am Fritz-Haber-Institut in Berlin entwickelten eine neuartige Methode zum Verständnis der Mechanismen der Kohlendioxid-Nutzung für klimaneutrale Treibstoffe und Chemikalien. Ihre Arbeit ebnet den Weg für die weitere Optimierung dieses durch erneuerbare Elektrizität angetriebenen katalytischen Prozesses. Im Kern der Entdeckung liegen die Eigenschaften von Katalysatoren, die aus ultradispersen Kupfer- und Stickstoffatomen bestehen, die in Kohlenstoff eingebettet sind. Während des elektrokatalytischen CO₂-Reduktionsprozesses (CO₂RR), einem Verfahren zur Umwandlung von CO₂ in nützliche Chemikalien, können diese Katalysatoren dynamisch von einzelnen Atomen zu kleinen Clustern und Metallpartikeln wechseln und dann wieder zurück, sobald das angelegte elektrische Potential aufgehoben oder auf einen positiveren Wert geändert wird. 

Diese Kontrolle über die reversible Transformation bietet einen Schlüssel zur Steuerung der Struktur des Katalysators und somit zur Kontrolle des Ergebnisses des CO₂RR-Prozesses, da die Produkt­selektivität stark von der Katalysator­struktur abhängt. Die Fähigkeit, die Größe und Struktur der Katalysatorpartikel zu kontrollieren, ist heraus­fordernd bei der Hochskalierung der CO₂RR-Techno­logie für die praktische Anwendung. Zuvor machte die breite Verteilung der verschiedenen Reaktions­produkte es schwierig, spezifische industriell relevante Chemikalien und Treibstoffe effizient zu produzieren. Diese Forschung bietet eine Methode zur präzisen Steuerung der Verteilung von CO₂RR-Produkten durch Mani­pulation des Zustands des Katalysators. Darüber hinaus ermöglicht das entwickelte Verfahren den Forschenden zu verstehen, welche strukturellen Merkmale des Katalysators für die Produktion spezifischer Reaktions­produkte verantwortlich sind.

Die Technik nutzt abwechselnde elektrische Impulse. Ein angelegtes negatives Potential ist erforderlich, um die CO₂-Umwandlung zu treiben, induziert aber auch die Bildung von Kupfer­nanopartikeln. Ein nachfolgender Impuls eines positiveren Potentials kehrt diesen Prozess um und zerlegt die Nanopartikel wieder in einzelne Atome. Durch Variation der Dauer dieser Impulse können die Forschenden die Größen der gebildeten Nanopartikel steuern und kontrollieren, ob der Katalysator hauptsächlich als einzelne Atome, ultrakleine Metallcluster oder größere metallische Kupfer­nanopartikel existiert. 

Jede Form des Katalysators eignet sich besser zur Produktion unterschiedlicher CO₂RR-Produkte. Beispiels­weise sind einzelne Kupferatome effizient für die Wasserstoff­produktion, kleine Cluster bevorzugen Methan und größere Nanopartikel sind am besten für die Ethylen­produktion geeignet. Um die Transformation des Katalysators in Echtzeit zu überwachen und anzupassen, verwendete das Team operando schnelle Röntgen­absorptions­spektroskopie. Diese fortschrittliche, auf Synchrotronstrahlung basierende Technik ermöglicht es, den Katalysator während der Reaktion mit einer Auflösung im Subsekunden­bereich zu beobachten und sicher­zustellen, dass die optimalen Bedingungen für die gewünschten CO₂RR-Produkte gegeben sind.

FHI / JOL