Mikroskopische Umwandlungen von Elektroden-Oberflächen

Ein wichtiger Baustein zur Erreichung der Klimaziele ist es, Technologien zu entwickeln, mit denen sich aus CO2 synthetische Kraftstoffe und chemische Grundstoffe herstellen lassen. Mit der elektro­chemischen Reduktion von CO2 an Kupfer­elektroden ist dieses direkt mit Strom aus erneuer­baren Energien möglich, was sich für die Produktion von E-Fuels einsetzen lassen könnte. Neue Unter­suchungen zeigen, dass dieser Prozess bereits in den Anfangs­stadien die Anordnung der Kupferatome an der Katalysator­oberfläche verändert.

Kupfer ist ein unverzicht­bares Katalysator­material, um mit dem Verfahren der CO2-Reduktion wertvolle Chemikalien und Kraftstoffe, wie beispiels­weise Ethanol, herzus­tellen. Besonders günstig dafür ist es, wenn die Kupferatome an der Katalysator­oberfläche ihre Ordnung verlieren. Das kann beispiels­weise durch eine oxidierende Behandlung der Kupfer­oberfläche oder durch Legierungen erreicht werden. In einer gemeinsamen Studie des Instituts für experi­mentelle und angewandte Physik der Uni Kiel und des Fritz-Haber-Instituts der MPG stellte sich jetzt heraus, dass bereits im äußersten Anfangsbereich der elektro­kataly­sierten CO2-Reduktion solche ungeordneten Strukturen auch spontan entstehen.

Die Forscher beobachteten dabei, dass Kupferatome aus dem Inneren des Metalls auf die Oberfläche wechselten und dort weitgehend freistehende Gruppen aus wenigen Atomen bildeten. Diese Umordnung des Metalls wird durch CO, ein Zwischen­produkt der Reaktion, verursacht und bleibt auch bei hohen Reaktions­geschwin­dig­keiten erhalten.

„Die elektro­katalytische CO2 Reduktion an Metallen läuft in wässriger Karbonat­lösung ab, wobei sich unter anderem Wasser­stoffgas bildet. Die auf atomarem Maßstab ablaufenden Prozesse detailliert zu untersuchen, ist hier schwierig,“ sagt Olaf Magnussen von der Uni Kiel. Das Forschungs­team kombinierte daher verschiedene Methoden, die sich auch unter diesen anspruchs­vollen Bedingungen einsetzen lassen. Das Team beobachtete die Umwandlung der Kupfer­ober­fläche zunächst direkt mit hoch­auf­lösender elektro­chemischer Raster­tunnel­mikro­skopie im Anfangs­stadium der CO2 Reduktion. Diese Methode erlaubt es, die Atome und Moleküle an der Oberfläche direkt sichtbar zu machen.

Untersuchungen mit Röntgen­beugung, die die Wissen­schaftler an der PETRA III-Synchro­tron­quelle des DESY in Hamburg durchführten, bestätigten die Umwandlung. Außerdem zeigten diese Messungen, dass die frei­stehenden Kupferatome auch bei hohen Reaktions­geschwin­dig­keiten erhalten bleiben, aber keine weiteren entstehen. Molekül­spektro­sko­pische Unter­suchungen am FHI zeigten schließlich, dass die Änderungen durch das gebildete CO verursacht wurden.

„Die Ergebnisse legen nahe, dass diese drastische Umordnung an der Elektroden­oberfläche jedes Mal auftritt, wenn der für die CO2-Reduktion benötigte Strom einge­schaltet wird. Das war bisher nicht bekannt, könnte aber eine wichtige Rolle in der Katalyse spielen“, sagt Beatriz Roldán Cuenya vom FHI. Eine Strategie, um die Struktur des Kataly­sators und damit die Art der gebildeten Stoffe zu beein­flussen, ist der Betrieb der Elektrode mit Spannungs­pulsen. Tatsächlich zeigten das bereits frühere Arbeiten des Forschungs­teams. Allerdings wurde das Kupfer dort mittels elektrischer Energie periodisch oxidiert, was ein Umpolen der Elektrode erfordert.

Nach den neuen Ergebnissen könnten ähnliche Effekte möglicher­weise bereits durch einfaches Ein- und Ausschalten des Stroms erzielt werden. „Insgesamt bestätigt die Studie unseren Ansatz, dass für die Realisierung dieser umwelt­freund­lichen Technologie nicht allein das Elektroden­material relevant ist, sondern in großem Maße auch die Betriebs­bedin­gungen und die Umgebung auf Mikroebene“, so das Team.

CAU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. Amirbeigiarab et al.: Atomic-scale surface restructuring of copper electrodes under CO2 electroreduction conditions, Nat. Catal., online 17. August 2023; DOI: 10.1038/s41929-023-01009-z
• Institut für experimentelle und angewandte Physik, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
• Interface Science Department, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin