Ein Team der University of Nottingham's School of Chemistry und der University of Birmingham hat gemeinsam einen Katalysator entwickelt, der aus Zinn-Mikropartikeln besteht, die von einer nanotexturierten Kohlenstoffstruktur getragen werden. Die Wechselwirkungen zwischen den Zinnpartikeln und den graphitierten Kohlenstoffnanofasern spielen eine entscheidende Rolle bei der Übertragung von Elektronen von der Kohlenstoffelektrode auf die CO2-Moleküle – ein wesentlicher Schritt bei der Umwandlung von CO2 in Formiat unter Anlegen eines elektrischen Potenzials.
Alternative und nachhaltige Energiegewinnung
CO2 ist der Hauptverursacher der globalen Erwärmung. Obwohl CO2 in nützliche Produkte umgewandelt werden kann, sind herkömmliche thermische Verfahren meist auf Wasserstoff angewiesen, der aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird. Daher ist es wichtig, alternative Methoden wie die Elektrokatalyse zu entwickeln, die nachhaltige Energiequellen wie Photovoltaik und Windkraft sowie die reichliche Verfügbarkeit von Wasser als Wasserstoffquelle nutzen.
Bei der Elektrokatalyse werden durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Katalysator Elektronen durch das Material geleitet, die mit CO2 und Wasser zu wertvollen Verbindungen reagieren. Ein solches Produkt, Formiat, wird häufig in der chemischen Synthese von Polymeren, Arzneimitteln, Klebstoffen und weitere verwendet. Um eine verbesserte Effizienz zu erreichen, muss dieser Prozess bei niedrigem Potenzial betrieben werden und gleichzeitig eine hohe Stromdichte und Selektivität aufweisen, um eine effektive Nutzung der Elektronen zur Umwandlung von CO2 in die gewünschten Produkte zu gewährleisten.
Dr. Madasamy Thangamuthu, ein Forschungsstipendiat an der Universität Nottingham, leitete das Forschungsteam: „Ein erfolgreicher Elektrokatalysator muss sich stark an das CO2-Molekül binden und effizient Elektronen einspeisen, um dessen chemische Bindungen aufzubrechen. Wir haben eine neuartige Kohlenstoffelektrode entwickelt, die graphitierte Nanofasern mit einer nanoskaligen Textur enthält, die gekrümmte Oberflächen und stufenförmige Kanten aufweist, um die Wechselwirkung mit den Zinnpartikeln zu verbessern.“
Dynamische Anpassung des Zinns und verbesserte Leistung
Tom Burwell, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Nottingham, führte die Arbeiten während seines Studiums am Zentrum für Doctoral Training in Sustainable Chemistry durch. Er entwickelte den Ansatz und führte die Experimente durch und erklärt: „Wir können die Leistung des Katalysators beurteilen, indem wir den elektrischen Strom messen, der von den reagierenden CO2-Molekülen verbraucht wird. Normalerweise bauen Katalysatoren im Laufe ihrer Nutzung ab, was zu einer verminderten Aktivität führt. Überraschenderweise konnten wir beobachten, dass der durch Zinn auf nanotexturiertem Kohlenstoff fließende Strom über 48 Stunden hinweg kontinuierlich anstieg. Die Analyse der Reaktionsprodukte bestätigte, dass fast alle Elektronen für die Reduktion von CO2 zu Formiat genutzt wurden, was die Produktivität um den Faktor 3,6 steigerte, während die Selektivität bei nahezu 100 Prozent blieb.“
Die Forscher führen diese Selbstoptimierung darauf zurück, dass die Zinnmikropartikel während der CO2-Reduktionsreaktion in Nanopartikel mit einer Größe von nur 3 nm zerfallen. Tom Burwell erläuterte: „Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie haben wir festgestellt, dass kleinere Zinnpartikel einen besseren Kontakt mit dem nanotexturierten Kohlenstoff der Elektrode herstellen, was den Elektronentransport verbessert und die Anzahl der aktiven Zinnzentren fast verzehnfacht.“
Dieses transformative Verhalten unterscheidet sich deutlich von früheren Studien, in denen strukturelle Veränderungen in Katalysatoren oft als nachteilig angesehen wurden. In dem vom Nottinghamer Team entwickelten Katalysator ermöglicht der sorgfältig konstruierte Träger eine dynamische Anpassung des Zinns und eine verbesserte Leistung.
Stabile Katalysatoren zur Umwandlung von CO2
„CO2 ist nicht nur ein bekanntes Treibhausgas, sondern auch ein wertvolles Ausgangsmaterial für die Herstellung von Chemikalien. Daher ist die Entwicklung neuer Katalysatoren aus erdverbundenen Materialien wie Kohlenstoff und Zinn von entscheidender Bedeutung für eine nachhaltige CO2-Umwandlung und das Erreichen des britischen Netto-Null-Emissionsziels. Unsere Katalysatoren müssen auch über einen längeren Zeitraum hinweg aktiv bleiben, um ein optimales Preis-Leistungs-Verhältnis zu gewährleisten“, so Professor Andrei Khlobystov von der Fakultät für Chemie.
Diese Entdeckung ist ein wichtiger Schritt zum Verständnis des Designs von Trägern für die Elektrokatalyse. Durch die präzise Kontrolle der Wechselwirkung zwischen Katalysatoren und ihren Trägern auf der Nanometerskala hat das Team die Grundlage für hochselektive und stabile Katalysatoren zur Umwandlung von CO2 in wertvolle Produkte geschaffen.
Finanziert wird die Arbeit im Rahmen des EPSRC-Programms „Metal atoms on surfaces and interfaces (MASI) for sustainable future“, das die Entwicklung von Katalysatormaterialien für die Umwandlung von drei Schlüsselmolekülen – Kohlendioxid, Wasserstoff und Ammoniak – zum Ziel hat, die für Wirtschaft und Umwelt von entscheidender Bedeutung sind. MASI-Katalysatoren werden auf atomar effiziente Weise hergestellt, um eine nachhaltige Nutzung chemischer Elemente zu gewährleisten, ohne die Vorräte an seltenen Elementen zu erschöpfen, und um die meisten auf der Erde reichlich vorhandenen Elemente wie Kohlenstoff und unedle Metalle zu verwenden.
Die Universität Nottingham setzt sich für die Förderung grüner und nachhaltiger Technologien ein. Vor kurzem wurde in den East Midlands der Zero Carbon Cluster ins Leben gerufen, um die Entwicklung und Einführung von Neuheiten in umweltfreundlichen Industrien und fortschrittlicher Fertigung zu beschleunigen.
