Durchbruch bei CO2-Recycling: Neuer Katalysator verwandelt Klimagas effizienter in Kraftstoff
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Forscher steigern CO2-Umwandlung zu Ethanol. Neuer Kupfer-Zink-Katalysator verdoppelt Ausbeute. Wie die gepulste Elektrolyse den Durchbruch bringt.
Die Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) in wertvolle Chemikalien und Kraftstoffe wie Ethanol ist ein vielversprechender Ansatz, um den Kohlenstoffkreislauf zu schließen und erneuerbare Energien zu speichern.
Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts in Berlin stellen jetzt in der Zeitschrift Energy & Environmental Science eine Methode vor, mit der das klimaschädliche CO2 effizient und kostengünstig in einen nachhaltigen Kraftstoff umgewandelt werden kann.
Zink steigert Ethanolausbeute: Forscher nutzen Kupfer-Zinkoxid-Nanowürfel
Bei den bisherigen Versuchen spielte Kupfer eine zentrale Rolle. Es ist der einzige Katalysator, der aus CO2 nennenswerte Mengen an Kohlenwasserstoffen und sauerstoffhaltigen Verbindungen wie Ethanol herstellen kann. Allerdings ist die Selektivität für die gewünschten Produkte oft gering.
Den Forschern ist es nun gelungen, die Ethanolausbeute durch Zugabe von Zink deutlich zu steigern. Als Katalysator verwendeten sie Nanowürfel aus einer Kupfer-Zinkoxid-Verbindung.
Gepulste Elektrolyse: Der Trick zur Steuerung der Katalysatoroberfläche
Der entscheidende Trick ist, dass während der Reaktion kurze Spannungsimpulse angelegt werden, die sogenannte gepulste Elektrolyse. Damit lassen sich Zusammensetzung und Struktur der Katalysatoroberfläche gezielt steuern.
Bei einem optimalen Pulsprotokoll mit moderaten Anodenpotentialen bildete sich auf der Kupferoberfläche eine zinkreiche Phase, die die Ethanolproduktion begünstigte. Gleichzeitig wurde die unerwünschte Wasserstoffentwicklung unterdrückt. Mit dieser Methode konnte die Ethanolausbeute im Vergleich zu reinem Kupfer nahezu verdoppelt werden.
Fortschrittliche Analysemethoden enthüllen Oberflächenprozesse
Um die komplexen Vorgänge an der Katalysatoroberfläche zu verstehen, kombinierten die Wissenschaftler verschiedene operando-Analysemethoden wie Röntgenabsorptions- und Röntgenbeugung-Spektroskopie. So konnten sie die Veränderungen der Zusammensetzung, der Struktur und der Adsorbate auf der Oberfläche während der Reaktion verfolgen.
Sie fanden heraus, dass sich bei optimalen Pulsbedingungen Zinkoxid-Spezies auf der Oberfläche bilden, die die Adsorption von Hydroxid-Gruppen (OH) begünstigen. Diese können dann mit Kohlenstoff-Zwischenprodukten zu Ethanol weiterreagieren.
Bei zu hohen Anodenpotentialen hingegen begann auch das Kupfer zu oxidieren. Dies führte zur Bildung von Kupfer-Zink-Legierungen, die zwar aktiv, aber weniger selektiv für Ethanol waren. Hier wurde mehr Wasserstoff und Kohlenmonoxid gebildet.
Die Studie zeigt eindrucksvoll, wie durch das Verständnis und die gezielte Steuerung der Katalysatoroberfläche auf atomarer Ebene die Selektivität von CO2-Umwandlungsprozessen verbessert werden kann.