Mikroskopische Umwandlungen von Elektrodenoberflächen

Forschungsteam aus Kiel und Berlin zeigt die Entstehung von Unordnung auf Kupferoberflächen während der Katalyse.

Ein wichtiger Baustein zur Erreichung der Klimaziele ist es, Technologien zu entwickeln, mit denen sich aus CO2 synthetische Kraftstoffe und chemische Grundstoffe herstellen lassen. Mit der elektrochemischen Reduktion von CO2 an Kupferelektroden ist dies direkt mit Strom aus erneuerbaren Energien möglich, was sich für die Produktion von E-Fuels einsetzen lassen könnte. Neue Untersuchungen zeigen, dass dieser Prozess bereits in den Anfangsstadien die Anordnung der Kupferatome an der Katalysatoroberfläche verändert.

Kupfer ist ein unverzichtbares Katalysatormaterial, um mit dem Verfahren der CO2 Reduktion wertvolle Chemikalien und Kraftstoffe, wie beispielsweise Ethanol, herzustellen. Besonders günstig dafür ist es, wenn die Kupferatome an der Katalysatoroberfläche ihre Ordnung verlieren. Dies kann beispielsweise durch eine oxidierende (Vor-)Behandlung der Kupferoberfläche oder durch Legierungen erreicht werden. In einer gemeinsamen Studie des Instituts für Experimentelle und Angewandte Physik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und des Interface Science Departments des Fritz-Haber-Instituts (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) stellte sich nun heraus, dass bereits im äußersten Anfangsbereich der elektrokatalysierten CO2 Reduktion solche ungeordneten Strukturen auch spontan entstehen. Die Forschenden beobachteten dabei, dass Kupferatome aus dem Inneren des Metalls auf die Oberfläche wechselten und dort weitgehend freistehende Gruppen aus wenigen Atomen bildeten. Diese Umordnung des Metalls wird durch CO, ein Zwischenprodukt der Reaktion verursacht, und bleibt auch bei hohen Reaktionsgeschwindigkeiten erhalten. Die Forschungsergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Nature Catalysis veröffentlicht.

„Die elektrokatalytische CO2 Reduktion an Metallen läuft in wässriger Karbonatlösung, ähnlich wie Mineralwasser, ab, wobei sich unter anderem Wasserstoffgas bildet. Die auf atomarem Maßstab ablaufenden Prozesse detailliert zu untersuchen, ist hier schwierig, “, sagt Olaf Magnussen, Professor für Festkörperphysik an der CAU. Das Forschungsteam kombinierte daher verschiedene Methoden, die sich auch unter diesen anspruchsvollen Bedingungen einsetzen lassen. Das Kieler Team beobachtete die Umwandlung der Kupferoberfläche zunächst direkt mit hochauflösender elektrochemischer Rastertunnelmikroskopie im Anfangsstadium der CO2 Reduktion (siehe Abbildung). Diese Methode erlaubt es, die Atome und Moleküle an der Oberfläche direkt sichtbar zu machen.

Untersuchungen mit Röntgenbeugung, die die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Kiel und Berlin an der PETRA III-Synchrotronquelle des Deutschen Elektronensynchrotron DESY in Hamburg, durchführten, bestätigten die Umwandlung. Außerdem zeigten diese Messungen, dass die freistehenden Kupferatome auch bei hohen Reaktionsgeschwindigkeiten erhalten bleiben, aber keine weiteren entstehen. Molekülspektroskopische Untersuchungen am FHI zeigten schließlich, dass die Änderungen durch das gebildete CO verursacht wurden.

„Die Ergebnisse legen nahe, dass diese drastische Umordnung an der Elektrodenoberfläche jedes Mal auftritt, wenn der für die CO2 Reduktion benötigte Strom eingeschaltet wird. Das war bisher nicht bekannt, könnte aber eine wichtige Rolle in der Katalyse spielen“, sagt Professorin Beatriz Roldán Cuenya, Direktorin der Abteilung Grenzflächenwissenschaft am FHI. Eine Strategie, um die Struktur des Katalysators und damit die Art der gebildeten Stoffe zu beeinflussen, ist der Betrieb der Elektrode mit Spannungspulsen. Tatsächlich zeigten das bereits frühere Arbeiten des Forschungsteams. Allerdings wurde das Kupfer dort mittels elektrischer Energie periodisch oxidiert, was ein Umpolen der Elektrode erfordert. Nach den neuen Ergebnissen könnten ähnliche Effekte möglicherweise bereits durch einfaches Ein- und Ausschalten des Stroms erzielt werden. „Insgesamt bestätigt die Studie unseren Ansatz, dass für die Realisierung dieser umweltfreundlichen Technologie nicht allein das Elektrodenmaterial relevant ist, sondern in großem Maße auch die Betriebsbedingungen und die Umgebung auf Mikroebene“, so das Team.

Gemeinsame Pressemitteilung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. rer. nat. Olaf Magnussen
Festkörperphysik
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU)
+49 431 880-5579
magnussen@physik.uni-kiel.de

Prof. Dr. Beatriz Roldán Cuenya
Direktorin Interface Science Department
Fritz-Haber-Institut (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft (MPG)
Website Interface Science Department
+49 30 8413-4123
roldan@fhi-berlin.mpg.de

Originalpublikation:

Atomic-scale surface restructuring of copper electrodes under CO2 electroreduction conditions, R. Amirbeigiarab, J. Tian, A. Herzog, C. Qiu, A. Bergmann, B. Roldan Cuenya, O.M. Magnussen, Nature Catal., accepted (2023); https://doi.org/10.1038/s41929-023-01009-z

Weitere Informationen:

https://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/206-katalyse Link zur Meldung
https://www.fhi.mpg.de/isc-department Website Interface Science Department, Fritz-Haber-Institut (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft (MPG)
https://www.physik.uni-kiel.de/de/institute/ieap Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
https://www.kinsis.uni-kiel.de Forschungsschwerpunkt KiNSIS (Kiel Nano Surface and Interface Scence) der CAU