Die elektrochemische Reduktion von CO2 (CO2RR) ist eine vielversprechende Technologie, die erneuerbare Elektrizität nutzt, um CO2 in hochwertige Chemikalien umzuwandeln und so den Kohlenstoffkreislauf effektiv zu schließen. Ethylen und Ethanol, die im Fokus dieser Studie stehen, sind entscheidend für die Herstellung umweltfreundlicher Kunststoffe und Kraftstoffe. Die genauen Mechanismen und Zwischenschritte dieser Umwandlung blieben jedoch bisher unklar. Das mechanistische Verständnis ist entscheidend, um die aktiven Zentren der Katalysatoren rational herstellen zu können. Diese sind nämlich nicht nur im synthetisierten Vorkatalysator vorhanden, sondern bilden und entwickeln sich auch im Verlauf der Reaktion durch die Interaktion mit Reaktanten und Reaktionsintermediaten.
Spektroskopische Einblicke und theoretische Unterstützung
Das Forschungsteam unter der Leitung von Gruppenleiter Dr. Arno Bergmann, Prof. Dr. Beatriz Roldán Cuenya und Prof. Dr. Núria López nutzte in-situ oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) und Dichtefunktionaltheorie (DFT), um die molekularen Spezies auf Kupfer (Cu)-Elektrokatalysatoren zu untersuchen und so Einblicke in den Reaktionsmechanismus zu gewinnen. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die Bildung von Ethylen erfolgt, wenn spezifische Intermediate, bekannt als *OC-CO(H)-Dimere, an unterkoordinierten Cu-Stellen entstehen. Im Gegensatz dazu erfordert die Produktion von Ethanol eine stark komprimierte und verzerrte Koordinationsumgebung der Cu-Stellen, mit dem Schlüsselintermediat *OCHCH2.
Verständnis der Rolle der Oberflächenmorphologie
Eine der entscheidenden Entdeckungen ist die Rolle der Oberflächenmorphologie im Reaktionsprozess. Das Team fand heraus, dass die unterkoordinierten Cu-Stellen die Bindung von CO, einem entscheidenden Schritt im Reduktionsprozess, verstärken. Diese Cu-Stellen, die durch atomare Unregelmäßigkeiten gekennzeichnet sind, entstehen wahrscheinlich unter Reaktionsbedingungen und machen die katalytische Oberfläche effektiver, was zu einer besseren Performance bei der Produktion von Ethylen und Ethanol führt.
Auswirkungen auf die chemische Industrie
Diese Erkenntnisse können bedeutende Auswirkungen auf die chemische Industrie haben, insbesondere bei der Herstellung von Kunststoffen und Kraftstoffen. Durch das Verständnis der spezifischen Bedingungen und Intermediate, die für die selektive Produktion von Ethylen und Ethanol erforderlich sind, können Forscher effizientere und nachhaltigere Katalysatoren entwickeln. Dies könnte zu effektiveren Wegen zur Nutzung von CO2 führen und den CO2-Fußabdruck chemischer Herstellungsprozesse reduzieren.
Gemeinsame Anstrengung
Die Studie war eine gemeinsame Anstrengung mit theoretischer Unterstützung einer Forschungsgruppe in Spanien. Diese Partnerschaft ermöglichte eine umfassende Untersuchung, die experimentelle und theoretische Ansätze kombinierte, um ein detailliertes Verständnis des CO2-Reduktionsprozesses zu bieten.
Fazit
Die Forschung der Abteilung Interface Science am Fritz-Haber-Institut und des Institute of Chemical Research of Catalonia stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der CO2-Reduktion dar. Durch die Enthüllung von Schlüsselintermediaten und aktiven Zentren bei der Produktion von Ethylen und Ethanol bietet diese Studie eine Grundlage für die Entwicklung effizienterer und nachhaltigerer katalytischer Prozesse. Die Ergebnisse fördern nicht nur das wissenschaftliche Wissen, sondern ermöglichen in Zukunft auch praktische Lösungen zur Reduzierung von CO2-Emissionen und zur Förderung einer nachhaltigen chemischen Produktion.
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