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Forschende der Interface Science Abteilung am Fritz-Haber-Institut haben untersucht, wie die Anwendung von gepulsten elektrischen Potentialbehandlungen auf Kupfereinzelkristalloberflächen als Modellkatalysatoren deren Fähigkeit verbessern kann, Kohlendioxid (CO2) in Brennstoffe wie Ethylen und Ethanol umzuwandeln. Der Schlüssel zur Erreichung der Selektivitätstunbarkeit liegt in der Kontrolle der durch die Pulse induzierten strukturellen und chemischen Katalysatortransformationen. Diese Forschung bietet Einblicke, die helfen könnten, CO2-Emissionen zu reduzieren und erneuerbare Energiequellen zu produzieren.
Wichtige Aspekte
- Innovative Technik: Gepulste elektrische Potentialbehandlungen verbessern die Effizienz von Kupfer bei der Umwandlung von CO2 in Kohlenwasserstoffe und Alkohole.
- Umweltauswirkungen: Diese Methode bietet einen alternativen Ansatz zur Entwicklung umweltfreundlicherer chemischer Prozesse, indem der Kohlenstoffkreislauf geschlossen und der Klimawandel angegangen wird.
- Wissenschaftliche Erkenntnis: Die Studie deckt die Veränderungen in der Struktur und dem Oxidationszustand der Kupferoberfläche unter dynamischen Reaktionsbedingungen auf, die zu einer verbesserten CO2-Umwandlung und anpassbaren Produktselektivität führen.
- Fortschrittliche Methodik: Nutzt hochmoderne Spektro-Mikroskopietechniken, um die Transformationen der Kupferoberflächen mit kombinierter räumlicher und chemischer Auflösung zu analysieren.
Einführung in die Herausforderung
Die rasche Industrialisierung und Abholzung weltweit haben zu einem signifikanten Anstieg der Kohlendioxidemissionen (CO2) geführt, einem Hauptverursacher des globalen Klimawandels. Die Bewältigung dieses Problems erfordert innovative Lösungen zur Reduzierung der Emissionen sowie zur Umwandlung des weiterhin unvermeidlich produzierten CO2 in nützliche Produkte. Kupfer hat sich als vielversprechender Katalysator für diese Umwandlung erwiesen, insbesondere bei der Bildung wertvoller chemischer Verbindungen wie Ethylen und Ethanol.
Die Forschungsergebnisse
Das Team um Dr. Thomas Schmidt und Prof. Beatriz Roldán Cuenya hat eine kürzlich entwickelte Methode angewendet, die gepulste Potentiale in elektrochemischen Behandlungen mit einer tiefgehenden spektro-mikroskopischen Charakterisierung (LEEM/XPEEM) kombiniert, um die elektro-katalytischen Eigenschaften gut definierter Kupferoberflächen zu verstehen und letztendlich zu optimieren. 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, die zu einer effizienteren Umwandlung von CO2 in Kohlenwasserstoffe und Alkohole führen.
Wissenschaftliches Verständnis
Die Studie nutzte fortschrittliche Spektro-Mikroskopietechniken, um diese Veränderungen auf mikroskopischer Ebene zu beobachten. Die Forscher*innen fanden heraus, dass die gepulsten Behandlungen zwei Arten einzigartiger Oberflächenstrukturen auf Kupfer erzeugen. Während des anodischen Pulses bilden sich durch ortsselektive Auflösung von Kupfer in das 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 Erkenntnis liefert wertvolles Feedback für theoretische Modelle und hilft, 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 Verbesserung der Effizienz der CO2-Umwandlung könnten die Ergebnisse zu effektiveren Methoden führen, um „Klimakiller“-Treibhausgase wie Kohlendioxid für die Produktion erneuerbarer Brennstoffe wiederzuverwenden. Der innovative Einsatz von gepulsten elektrischen Potentialbehandlungen auf Kupferoberflächen stellt einen Fortschritt auf der Suche nach saubereren Energietechnologien dar.
Prof. Dr. Beatriz Roldán Cuenya roldan@fhi-berlin.m
https://www.nature.com/articles/s41929-025-01387-6#citeas
https://www.fhi.mpg.de/2116749/2025-08-20-Enhancing-Copper_s-Role-in-CO2-Convers...
Verbesserung der Rolle von Kupfer bei der CO2-Umwandlung in wertvolle Brennstoffe
Quelle: © FHI
Copyright: © FHI
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler, jedermann
Chemie, Energie, Physik / Astronomie, Werkstoffwissenschaften
überregional
Forschungs- / Wissenstransfer, Forschungsergebnisse
Deutsch
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