Katalysatoren bei der Arbeit zuschauen

13. Juli 2020

Ein Forschungsteam der Abteilungen Grenzflächenwissenschaften und Anorganische Chemie konnte einen Kupferkatalysator während der Reaktion beobachten, der das Treibhausgas CO2 in eine chemische Energiequelle umwandelt. Die so gewonnenen Informationen werden die Entwicklung technologisch wichtiger Reaktionen für die Produktion grüner Energie vorantreiben.

Veränderungen eines Kupferkatalysators (Cu Würfel) während der Elektrochemischen CO2 Reduktion.

Weil der Klimawandel und die globale Erwärmung zu den größten Problemen gehören, mit denen wir heute konfrontiert sind, forschen Wissenschaftler zunehmend an Möglichkeiten zur Erzeugung grüner Energie. "Grün" bedeutet in diesem Fall, dass diese Art von Energie einen geringen oder idealerweise keinen CO2-Fußabdruck hat. Solar- und Windenergie sind gute Beispiele dafür. Aber so großartig sie auch sind, sie können nicht unseren gesamten und diversen Energiebedarf abdecken. So können sie zwar unsere Steckdosen mit Energie versorgen, nicht aber die flüssigen Brennstoffe ersetzen, die wir für Reisen und Transport benötigen. Denn Wind- und Solarenergie sind nur schwer speicherbar.

Aus diesem Grund versuchen Wissenschaftler, grüne flüssige Energiequellen zu produzieren, und tatsächlich gibt es eine ziemlich spektakuläre Methode dafür. Man weiß seit einiger Zeit, dass CO2 – das Treibhausgas, das wir loswerden wollen, weil es die globale Erwärmung fördert – in eine Energiequelle umgewandelt werden kann. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist die "elektrochemische CO2-Reduktion (CO2RR)", bei der kleine CO2-Moleküle in Alkohole und Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden, die für die spätere Verwendung stabil sind. Ungefähr so, wie Pflanzen bei der Photosynthese CO2 in Kohlenhydrate und Zucker umwandeln. 

"Diese Strategie ist besonders attraktiv, weil die Verwendung von Alkoholen als Brennstoffe mit unserer derzeitigen Energieinfrastruktur sehr kompatibel ist", erklärt Prof. Beatriz Roldán Cuenya, Leiterin der Abteilung Grenzflächenwissenschaft, wo die elektrochemische Reduktion von CO2 genau untersucht wird. "Wenn die dafür benötigte Energie bereits grün ist (d.h. aus Wind- oder Solarenergie stammt), dann gibt es auch keinen CO2-Fussabdruck. So können wir den anthropogenen Kohlenstoffkreislauf schließen und weitere CO2-Emissionen begrenzen", fügt sie begeistert hinzu.

Während diese Idee großartig klingt, ist die Herstellung von flüssigen Brennstoffen aus CO2 kompliziert. Dr. See Wee Chee, Gruppenleiter in der Abteilung Grenzflächenwissenschaft, erklärt, warum: "Für die Herstellung von Alkoholen und nützlichen Kohlenwasserstoffen aus CO2 ist ein Elektrokatalysator erforderlich, eine Substanz, die die Reaktion schneller oder mit weniger Energie ablaufen lässt. Aber die CO2-Reduktion (CO2RR) wird zu oft durch eine schlechte Aktivität, Selektivität und Stabilität der Elektrokatalysatoren behindert. Das macht sie leider wirtschaftlich unrentabel". Wissenschaftler wie die der Abteilung für Grenzflächenwissenschaften versuchen ständig, bessere Katalysatoren zu entwerfen, aber auch das ist nicht einfach. Das Hauptproblem ist, dass man nicht weiß, wie sie während der Reaktion aussehen. "Wir betrachten katalytische Strukturen wie Detektive, die Beweise aus Fotos sortieren. Wir kennen den Schauplatz vor und nach dem 'Verbrechen', und von dort leitet man ab, was dazwischen passiert ist. Was man aber wirklich will, ist ein Video des Tathergangs", erklärt Dr. Chee. Es ist von entscheidender Bedeutung, ein grundlegendes Verständnis darüber zu erlangen, wie sich die Katalysatoren während der Reaktion verändern, um bessere Katalysatoren zu entwerfen. Leider bieten die verfügbaren Techniken zur Beobachtung einer solchen Reaktion nicht die nötige Auflösung.

Forscher der Abteilung für Grenzflächenwissenschaften und der Abteilung für Anorganische Chemie am Fritz-Haber-Institut haben nun eine neue Methode zur Lösung dieses Problems angewandt. Das Team aus Elektronenmikroskopikern und Elektrochemikern verwendete eine Technik namens "Liquid Cell Transmission Electron Microscopy" (TEM), um das Verhalten von Katalysatoren für die CO2RR-Reaktion zu untersuchen – und zwar in einer flüssigen Lösung. Diese Technik gibt es zwar schon seit einiger Zeit, doch in diesem Zusammenhang wurde sie noch nicht erprobt. Die Herausforderung besteht darin, dass die sehr kleinen Kupferkatalysatoren in winzige flüssige Reaktionszellen mit einem Volumen von weniger als einem Nanoliter (eine Million Mal kleiner als ein Liter) eingebracht werden müssen. Die Forscher fanden eine clevere Lösung für dieses Problem: Sie synthetisierten die Kupferwürfel (Cu2O) im Inneren der Flüssigkeitszellen nach einem elektrochemischen Rezept, das sie zuvor patentiert hatten. Im Grunde züchteten sie die Katalysatoren direkt dort, wo sie sie unter CO2RR-Bedingungen beobachten konnten. Sie fanden heraus, dass der Katalysator nicht mehr so aussah wie vor der Reaktion, sondern sich sehr schnell veränderte – ganz, wie sie vermutet hatten.

Diese Studien zeigen, dass mit Hilfe der Flüssigzellen-TEM sehr detaillierte Informationen über Katalysatorstrukturen unter elektrochemischen Reaktionsbedingungen gewonnen werden können. Was man nun über die Veränderungen des Kupferkatalysators herausgefunden hat, wird Wissenschaftler auch dabei helfen, zu verstehen, wie man ihn besser kontrollieren kann. In Zukunft will die von Dr. See Wee Chee geleitete Gruppe für Flüssigkeitselektronenmikroskopie diese Technik nutzen, um einen tieferen Einblick in Struktur-Eigenschafts-Korrelationen in elektrokatalytischen Materialien zu gewinnen. Dies wird technologisch wichtige Reaktionen für nachhaltige Energie wie die Wasserspaltung (eine Reaktion, bei der Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird) vorantreiben, die für die Produktion von grünem Wasserstoff wichtig ist.

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