Die Rolle von Kupfer bei der Umwandlung von CO₂ in nützliche Produkte

Forschende der Abteilung Interface Science (ISC) des Fritz-Haber-Instituts und der University of California Los Angeles (UCLA) haben Einblicke in die signifikanten morphologischen Veränderungen gewonnen, die Kupferoberflächen während der elektrochemischen Reduktion von CO₂ durchlaufen, was die Art der gebildeten Produkte beeinflusst. Diese kombinierte theoretische (UCLA) und experimentelle (ISC-FHI) Studie hebt die Bedeutung spezifischer Oberflächendefekte hervor, die im Verlauf der Reaktion entstehen und transformiert werden, um die Effizienz der CO₂-Umwandlung in industriell wertvolle Chemikalien zu steigern.

Wichtige Aspekte

• Die Oberflächenstruktur von Kupfer ist entscheidend für eine effektive CO₂-Reduktion.
• Defekte und Stufen auf Kupferoberflächen verbessern die Produktauswahl.
• Kupferoberflächen restrukturieren sich unter Reaktionsbedingungen selbst.
• Das Verständnis dieser Veränderungen kann CO₂-Umwandlungstechnologien verbessern.

Einführung

Die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid (CO₂) ist eine vielversprechende Methode, um dieses Treibhausgas in nützliche Chemikalien umzuwandeln. Kupfer (Cu) sticht als Schlüsselmaterial für diesen Prozess hervor, aber seine Effektivität hängt stark von seiner Oberflächenstruktur ab. Die Komplexität des Problems wird durch die Tatsache erhöht, dass die aktiven Kupferoberflächen hochdynamisch sind und unter katalytischen Arbeitsbedingungen drastische Transformationen erfahren.

Die Rolle der Kupferoberflächen

Die Fähigkeit von Kupfer, CO₂ in Mehrfachkohlenstoffprodukte wie Ethylen und Ethanol umzuwandeln, wird durch das Vorhandensein von Defekten und Stufen auf seiner Oberfläche beeinflusst. Diese Unvollkommenheiten bieten aktive Stellen, die die Reaktion erleichtern und zu einer höheren Ausbeute der gewünschten Produkte führen. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass Kupferoberflächen unter CO₂-Reduktionsbedingungen eine Umstrukturierung erfahren, obwohl es herausfordernd bleibt, detaillierte atomare Strukturen zu erfassen. Daher erfordert das mechanistische Verständnis von Struktur-Reaktivitäts-Korrelationen eine enge Zusammenarbeit mit Theoretiker*innen, wie in diesem gemeinsamen Beitrag von UCLA-FHI unter der Leitung von Prof. Philippe Sautet und Prof. Anastassia Alexandrova (UCLA) sowie Dr. Markus Heyde und Prof. Beatriz Roldán Cuenya (FHI) gezeigt wird.

Oberflächenrestrukturierung

Während des CO₂-Reduktionsprozesses erfahren Kupferoberflächen eine signifikante Umstrukturierung. Diese Transformation wird durch die Reaktionsbedingungen und die starke Bindung von Reaktionszwischenprodukten, wie Kohlenmonoxid (CO), an die Oberfläche angetrieben. Die Umstrukturierung erhöht die Aktivität und Selektivität der Oberfläche für die Produktion von Kohlenwasserstoffen und Kraftstoffen. Theoretische Modelle mit fortschrittlichen Berechnungen haben gezeigt, dass flache Kupferoberflächen weniger aktiv sind, während Stufen und Knicke entscheidend für die CO₂-Reduktion sind.

Auswirkungen auf die CO₂-Umwandlung

Das Verständnis, wie sich Kupferoberflächen während der CO₂-Reduktion verändern, kann zu effizienteren und selektiveren Umwandlungsprozessen führen. Durch die Optimierung der Oberflächenstruktur können Forschende die Produktion spezifischer Chemikalien verbessern und so zu nachhaltigeren und wirtschaftlich tragfähigeren CO₂-Nutzungstechnologien beitragen. Diese Forschung liefert wertvolle Einblicke in die atomaren Prozesse, die die CO₂-Reduktion auf Kupfer steuern, und ebnet den Weg für Fortschritte im Bereich der nachhaltigen Chemie.