Effizientere Kupfer-Katalysatoren
Ein Forscherteam der Abteilung Grenzflächenwissenschaften hat herausgefunden, wie sich die Veränderungen in der Struktur von Kupferkatalysatorteilchen während der elektrochemischen CO2-Reduktion auf ihre katalytische Leistung auswirken. Dies soll zur Entwicklung neuer Katalysatoren führen, die das Treibhausgas CO2 in nützliche Chemikalien umwandeln.
Die Nutzung der Elektrokatalyse zur Umwandlung einfacher Moleküle, die in unserer Umwelt häufig vorkommen, in nützliche Chemikalien und Kraftstoffe ist eine wichtige Strategie, um Energie aus erneuerbaren Quellen effektiv zu speichern und eine Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen. Die elektrochemische CO2-Reduktion (CO2RR) ist ein Schlüsselaspekt dieses Konzepts, bei dem CO2-Moleküle für eine spätere Verwendung in Kohlenwasserstoffe zurückverwandelt werden - analog dazu, wie Pflanzen bei der Photosynthese CO2 in Kohlenhydrate und Zucker umwandeln - und gleichzeitig die Auswirkungen der CO2-Emissionen gemildert werden. In diesem Fall ist ein selektiver und stabiler Katalysator entscheidend für die wirtschaftliche Rentabilität. Es ist jedoch nicht einfach, solche Katalysatoren zu finden, da ein komplexer Zusammenhang zwischen Katalysatorstruktur und Leistung besteht. Darüber hinaus können die Katalysatoren ihre Eigenschaften in Abhängigkeit von ihrer Umgebung verändern, und wir wissen nur sehr wenig über diese Veränderungen, da es schwierig ist zu beobachten, wie sich die Katalysatoren während der Reaktion entwickeln.
Einem Forscherteam der FHI-Abteilung Grenzflächenwissenschaften ist es nun gelungen, diese strukturellen Veränderungen zu filmen. "Die In-situ-Transmissionselektronenmikroskopie ist die beste Technik, um die Dynamik von Elektrokatalysatoren auf feiner Skala zu erfassen, und wir konnten diese nanoskopischen Veränderungen in hoher Qualität filmen", erklärt Prof. Beatriz Roldán Cuenya, die Leiterin der Abteilung Grenzflächenforschung. "Die große Herausforderung besteht darin, die Vorgänge im Mikroskop mit den Auswirkungen auf die Katalysatorleistung in Verbindung zu bringen, die in Reaktoren im Labormaßstab gemessen wird." Durch die parallele Arbeit der Gruppen für Elektronenmikroskopie und Elektrochemie an identischen Katalysatorpartikeln konnte dieses Rätsel gelöst werden.
Die Forscher mussten zunächst einen Weg finden, um genau dieselben Katalysatoren in verschiedenen Versuchsanordnungen herzustellen. "Die Elektroabscheidung erwies sich als der eleganteste Ansatz, mit dem wir die Größe, Form und räumliche Dichte der Katalysatorpartikel einstellen können", sagt Dr. See Wee Chee, Gruppenleiter in der Abteilung für Grenzflächenwissenschaften. "Indem wir das Verhalten spezifischer Katalysatoren mit ihrer Leistung abgleichen, können wir die Auswirkungen dieser strukturellen Veränderungen auf ihre Produktselektivität bei der CO2RR bestimmen. Insbesondere können wir zeigen, dass sich die Katalysatoren sehr früh im Reaktionsprozess verändern, vor allem die kleineren Katalysatoren, die Veränderungen zeigen, sobald sie in den Elektrolyten eingetaucht werden".
Das Team fand heraus, dass zwei Prozesse die tatsächliche Anzahl der Katalysatoren während der Reaktion beeinflussen. Erstens löst sich ein Teil der Katalysatoren auf oder fällt ab, sobald die Partikel in den flüssigen Elektrolyten eingetaucht werden. Zweitens kann ein Teil des verlorenen Materials in Form neuer, wieder abgelagerter Partikel wiedergewonnen werden, sobald ein Potenzial angelegt wird. Diese beiden Effekte können die tatsächliche Anzahl der Katalysatoren drastisch verändern und ihre Leistung beeinträchtigen. Wenn der Katalysatorverlust überwiegt, ist die resultierende Leistung schlecht. Noch wichtiger ist, dass die Experimente zeigen, dass größere Würfel auch stabiler sind, und dass wir eine selektive und stabile Leistung erreichen können, wenn wir mit einer hohen Dichte solcher Würfel beginnen. In diesem Fall wird der leere Raum zwischen den Würfeln durch die wieder abgeschiedenen Teilchen weiter aufgefüllt, was die Bildung von Kohlenwasserstoffen erleichtert.
"Diese Studien zeigen, dass die Anzahl der Katalysatorteilchen zu Beginn, ihre Größe und Dichte auf der Oberfläche der Trägerelektrode kein zuverlässiger Indikator für die tatsächliche Anzahl der Teilchen während der Reaktion ist", erklärt Dr. Philipp Grosse, einer der Hauptautoren der Studie. "Viel wichtiger ist, dass wir zeigen, dass wir durch die Optimierung des Designs der Vorkatalysatorstrukturen auch ihre strukturelle Entwicklung unter Arbeitsbedingungen und damit auch ihre Selektivität beeinflussen können." "Das ist auch für die Elektronenmikroskopiker sehr aufregend", fügt Dr. Aram Yoon, ebenfalls einer der Hauptautoren, hinzu, "Dies ist ein klarer Beweis dafür, dass wir systematische und reproduzierbare elektrochemische Experimente im Mikroskop durchführen können."
Es wird erwartet, dass diese Studien die Art und Weise verändern werden, wie wir die Auswirkungen der Umstrukturierung des Katalysators unter Reaktionsbedingungen auf die Leistung des Katalysators betrachten. Darüber hinaus können die Erkenntnisse aus der Untersuchung, wie die Entwicklung des Kupferkatalysators in Abhängigkeit von den morphologischen Ausgangsparametern des Vorkatalysators variiert, auch neue Ideen für die Entwicklung aktiver, selektiver und stabiler Katalysatoren mit optimalen Arbeitsbedingungen liefern. Die von Dr. See Wee Chee geleitete Gruppe für Flüssigelektronenmikroskopie möchte in Zukunft ähnliche Ideen nutzen, um tiefere Einblicke in die Struktur-Eigenschafts-Korrelationen von Elektrokatalysatoren in anderen technologisch wichtigen Reaktionen für nachhaltige Energie zu gewinnen, wie z. B. die Wasserspaltung (eine Reaktion, bei der Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird) für die umweltfreundliche Wasserstoffproduktion und die Nitratreduktion (eine vielversprechende Reaktion für die elektrochemische Ammoniakproduktion und die Verringerung der Umweltverschmutzung).