Vom Treibhausgas zum Treibstoff: Dynamisch angetriebene Cu-Oberflächen katalysieren die elektrochemische Reduktion von CO2 zu Ethanol

16. April 2020

Einem Team von Wissenschaftlern aus der Abteilung Grenzflächenwissenschaften gelang es, die dynamische strukturelle und chemische Natur von Cu-Oberflächen unter gepulsten elektrokatalytischen Reaktionsbedingungen auszunutzen, um das Treibhausgas CO2 in einen Treibstoff, z.B. Ethanol umzuwandeln.

Erneuerbare Energiequellen mit Null-Emissionen wie Sonne und Wind tragen wesentlich zur Befriedigung unseres Energiebedarfs bei, obwohl ihre intermittierende Natur (die Sonne scheint nicht immer und der Wind weht nicht ständig) nicht die Energie liefern kann, die täglich benötigt wird. Diese Energie könnte jedoch durch die elektrokatalytische Reduktion von CO2 für eine spätere Nutzung gespeichert werden.

Die Idee hinter der elektrochemischen CO2-Reduktion ist es, diese intermittierende Energie in molekularen Bindungen zu speichern, d.h. CO2 in chemische Ausgangsstoffe und Brennstoffe zu verwandeln, die später in der klassischen Verbrennung oder in einer Brennstoffzelle zur Energiegewinnung eingesetzt werden können. Auf diese Weise können wir auch den anthropogenen Kohlenstoffkreislauf schließen und weitere Emissionen in die Atmosphäre vermeiden.

Um dieser Herausforderung zu begegnen und eine hohe Aktivität und Selektivität zu erreichen, ist sowohl die Suche nach neuen Katalysatoren als auch das grundlegende Verständnis dieser Reaktion von größter Bedeutung. Deshalb werden die strukturellen und kompositorischen Effekte dieser Reaktion fortlaufend umfassend untersucht. Dabei ist insbesondere die katalytische Rolle, die Cu(I)-Spezies spielen, ein in der Katalysegemeinschaft heftig diskutiertes Thema.

Das Team um Dr. Rosa Arán-Ais, einschließlich Fabian Scholten, Sebastian Kunze und Dr. Rubén Rizo, das unter der Leitung von Prof. Beatriz Roldán Cuenya in der Abteilung Grenzflächenwissenschaften am Friz-Haber-Institut arbeitet, hat einen beispiellosen experimentellen Beweis für den synergistischen Effekt spezifischer Strukturmotive auf Cu-Oberflächen zusammen mit Cu(I)-Spezies im C-C-Kopplungsweg erbracht, genauer gesagt: für die Produktion von Ethanol.

Eine signifikant erhöhte Selektivität für Ethanol wurde bei -1,0 V unter gepulsten Elektrolysebedingungen gefunden, bei denen Cu(I) und spezielle Strukturmotive kontinuierlich in situ (re)-generiert wurden. Dieser Befund wurde durch die Kombination von ex situ und in situ elektrochemischen, mikroskopischen und spektroskopischen Techniken bewertet.

Das grundlegende Verständnis, das durch diese Studie geschaffen wurde, ist äußerst wertvoll, um elektrochemische Grenzflächen mit eingeschränkter Oberflächenstruktur und abstimmbarer Zusammensetzung rational auf die selektive Herstellung von C2-Produkten zuzuschneiden.

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Rosa M. Arán Ais, Fabian Scholten, Sebastian Kunze, Rubén Rizo, Beatriz Roldán Cuenya
The role of in situ generated morphological motifs and Cu(i) species in C2+ product selectivity during CO2 pulsed electroreduction.
Nature Energy 5, 317-325 (2020).

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