Katalysatoren bei der Arbeit zuschauen

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.