CO2-Umwandlung mit Kupfer: Neue Wege zur Reduktion von Emissionen
Die CO2-Umwandlung mit Kupfer rückt verstärkt in den Fokus der Forschung. Am Fritz-Haber-Institut untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, wie sich durch gepulste elektrische Potenzialbehandlungen die katalytischen Eigenschaften von Kupfer gezielt verändern lassen. Im Mittelpunkt stehen strukturelle und chemische Transformationen der Oberflächen, die die Effizienz und Selektivität bei der Umwandlung von Kohlendioxid in wertvolle Brennstoffe wie Ethylen und Ethanol verbessern können. Diese Ergebnisse liefern wichtige Impulse für nachhaltige Energietechnologien und eröffnen neue Perspektiven im Umgang mit CO2-Emissionen.
Verbesserung der Rolle von Kupfer bei der CO2-Umwandlung in wertvolle Brennstoffe.
Foto: FHI
Die weltweite Industrialisierung und Abholzung haben zu einem deutlichen Anstieg von Kohlendioxidemissionen geführt. CO2 gilt bekanntlich als einer der Haupttreiber des Klimawandels. Um die Folgen abzumildern, braucht es nicht nur Strategien zur Reduzierung der Emissionen, sondern auch Verfahren, die vorhandenes Kohlendioxid in nutzbare Produkte überführen. Kupfer ist seit längerem ein vielversprechender Katalysator, da es die Bildung wertvoller Verbindungen wie Ethylen und Ethanol ermöglicht.
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Forschungsansatz am Fritz-Haber-Institut
Die Interface Science Abteilung des Fritz-Haber-Instituts untersuchte, wie sich die katalytischen Eigenschaften von Kupfer durch den Einsatz gepulster elektrischer Potenziale verändern lassen. Ziel war es, strukturelle und chemische Transformationen an der Oberfläche von Kupfer zu kontrollieren und so die Selektivität bei der CO2-Umwandlung gezielt zu beeinflussen. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Effizienz der Katalyse zu steigern und die Produktverteilung anzupassen.
Methodik: Gepulste Potenziale und Spektro-Mikroskopie
Für die Untersuchung kombinierten die Forschenden elektrochemische Behandlungen mit hochauflösenden Spektro-Mikroskopietechniken wie LEEM/XPEEM. Dabei setzten sie abwechselnd anodische und kathodische Pulse ein. Während anodische Pulse die Kupferoberfläche oxidierten und spezifische kristalline Facetten entstehen ließen, reduzierten die kathodischen Pulse gezielt Teile der Oxidstruktur. Das Ergebnis war eine sandwichartige Oberfläche mit einer Mischung aus metallischem Kupfer und Cu(I)-Oxid, die eine verbesserte Umwandlung von CO2 in Brennstoffe begünstigte. Laut den Forschenden deckt die Studie die Veränderungen in der Struktur und dem Oxidationszustand der Kupferoberfläche unter dynamischen Reaktionsbedingungen auf, die zu einer verbesserten CO2-Umwandlung und anpassbaren Produktselektivität führen.
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Strukturelle Transformationen im Detail
Während der anodischen Pulse bildeten sich durch ortsselektive Auflösung pyramidenartige Strukturen mit klar definierten Facetten. Gleichzeitig entstand ein etwa 1 nm dicker Cu(I)-Film. Beim nachfolgenden kathodischen Puls wurde nur der oberste Teil reduziert, wodurch eine Kombination aus einer dünnen metallischen Schicht und einer darunterliegenden oxidischen Schicht entstand. Diese Struktur gilt als Schlüsselfaktor für die verbesserte katalytische Aktivität.
Selektivität zwischen Ethylen und Ethanol
Die Experimente zeigten, dass die gleichzeitige Anwesenheit von metallischem Kupfer und Cu2O-Spezies mit einer höheren Ethanolproduktion verbunden ist. Rein metallische, gestufte Oberflächen führten hingegen zu einer verstärkten Bildung von Ethylen. Damit bietet die Methode erstmals die Möglichkeit, die Selektivität der Reaktionsprodukte gezielt zu steuern – je nach gewünschtem Endprodukt.
Bedeutung für die Energieforschung
Die Ergebnisse sind von hoher Relevanz für die Energiewissenschaft. Sie liefern konkrete Hinweise darauf, wie Kupferoberflächen durch kontrollierte Transformationen angepasst werden können, um CO2 effizienter in wertvolle chemische Produkte umzuwandeln. Dieser Ansatz bietet das Potenzial, den Kohlenstoffkreislauf zu schließen und damit langfristig einen Beitrag zur Reduktion von Treibhausgasen zu leisten.
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Perspektiven für nachhaltige Technologien
Die Erkenntnisse zeigen, dass gepulste elektrische Potenzialbehandlungen neue Wege für die Nutzung von Kohlendioxid als Rohstoff eröffnen. Damit rückt die Vision einer nachhaltigen Energiewirtschaft, in der CO2 nicht nur als Abfallprodukt, sondern als Ressource genutzt wird, in greifbare Nähe. Die Forschung am Fritz-Haber-Institut liefert damit nach Ansicht der Forschenden eine Grundlage für künftige industrielle Verfahren, die CO2-Emissionen reduzieren und gleichzeitig erneuerbare Brennstoffe bereitstellen können.
