Forschende der Abteilung Interface Science am Fritz-Haber-Institut haben untersucht, wie sich die Fähigkeit von Kupfereinzelkristalloberflächen als Modellkatalysatoren, Kohlendioxid (CO2) in Brennstoffe wie Ethylen und Ethanol umzuwandeln, durch die Anwendung von gepulsten elektrischen Potentialbehandlungen verbessern lässt. Der Schlüssel zur Erreichung der Selektivitätstunbarkeit liegt in der Kontrolle, der durch die Pulse induzierten strukturellen und chemischen Katalysatortransformationen. Diese Forschung könnte dabei helfen, CO2-Emissionen zu reduzieren und erneuerbare Energiequellen zu produzieren.
CO2-Umwandlung in wertvolle Brennstoffe
Die rasche Industrialisierung und Abholzung weltweit haben zu einem signifikanten Anstieg der Kohlendioxidemissionen (CO2), einem der Hauptverursacher des globalen Klimawandels, geführt. Um dieses Problem zu bewältigen, sind innovative Lösungen zur Reduzierung der Emissionen sowie zur Umwandlung des weiterhin unvermeidlich produzierten CO2 in nützliche Produkte erforderlich. Kupfer hat sich dabei als vielversprechender Katalysator erwiesen, insbesondere bei der Bildung wertvoller chemischer Verbindungen wie Ethylen und Ethanol.
Das Team um Dr. Thomas Schmidt und Prof. Beatriz Roldán Cuenya hat eine kürzlich entwickelte Methode angewendet, die gepulste Potenziale in elektrochemischen Behandlungen mit einer tiefgehenden spektro-mikroskopischen Charakterisierung (LEEM/XPEEM) kombiniert. Ziel war es, die elektro-katalytischen Eigenschaften gut definierter Kupferoberflächen zu verstehen und zu verbessern. Durch die Anwendung abwechselnder anodischer (oxidierender) und kathodischer (reduzierender) Pulse beobachteten sie, dass Kupferoberflächen Veränderungen in ihrer Struktur (Bildung spezifischer kristalliner Facetten) und ihrem Oxidationszustand (Erzeugung und Stabilisierung von Cu(I)-Spezies) erfahren. Dies führt zu einer effizienteren Umwandlung von CO2 in Kohlenwasserstoffe und Alkohole.
Neue Technik verbessert CO2-Reduktion und Produktselektivität
Die Studie nutzte fortschrittliche Spektro-Mikroskopietechniken, um diese Veränderungen auf mikroskopischer Ebene zu beobachten. Die Forscher und Forscherinnen fanden heraus, dass die gepulsten Behandlungen zwei Arten einzigartiger Oberflächenstrukturen auf Kupfer erzeugen. Während des anodischen Pulses bilden sich durch die ortsselektive Auflösung von Kupfer im Elektrolyt umgekehrte pyramidenartige Strukturen mit spezifischen Seitenfacetten. Darüber hinaus wird bei diesem anodischen Puls (+0,6 V) die Kupferoberfläche oxidiert, was zu einem etwa 1 nm dicken Film aus Cu(I) führt.
Interessanterweise wird beim folgenden kathodischen Puls (-1 V) nur der oberste Teil dieses Films zu metallischem Kupfer reduziert, was zu einer sandwichartigen Struktur eines ~0,5 nm dicken metallischen Kupferfilms auf einer ~0,5 nm dicken Cu(I)-Unterschicht auf dem metallischen Kupfer-Bulk-Kristall führt. Beide Strukturen, die Facetten und das Unterschichtoxid, sind wichtig für die verbesserte Produktion von Ethylen und Ethanol. Insbesondere scheint das Nebeneinander von metallischen und Cu2O-Spezies mit einer Verbesserung der Ethanolproduktion verbunden zu sein, während hauptsächlich metallische, gestufte Oberflächen zu erhöhten Ethylenausbeuten führen. Diese Erkenntnisse sind wertvoll für theoretische Modelle und helfen, das Verständnis des katalytischen Verhaltens von Kupfer zu verfeinern.
Auswirkungen auf die Zukunft
Diese Forschung bietet einen vielversprechenden Weg zur Entwicklung nachhaltiger Energielösungen. Durch die Steigerung der Effizienz der CO2-Umwandlung könnten die Ergebnisse zu effektiveren Methoden führen, um „Klimakiller“-Treibhausgase wie Kohlendioxid für die Produktion erneuerbarer Brennstoffe wiederzuverwenden. Der Einsatz gepulster elektrischer Potentialbehandlungen auf Kupferoberflächen stellt einen Fortschritt bei der Suche nach saubereren Energietechnologien dar.
