Innovative Forschung enthüllt neuen Weg zur Ethanolproduktion aus CO2

In einer bahnbrechenden Studie, die in der renommierten Zeitschrift „Energy & Environmental Science“ veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler*innen der Abteilung Interface Science am Fritz-Haber-Institut eine neuartige Methode zur Umwandlung des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) in Ethanol, einen nachhaltigen Brennstoff, vorgestellt. Dieser bedeutende Fortschritt könnte den Weg für umweltfreundlichere und wirtschaftlich tragfähigere Alternativen zu fossilen Brennstoffen ebnen.

Der Artikel mit dem Titel „Time-Resolved Operando Insights into the Tunable Selectivity of Cu-Zn Nanocubes during Pulsed CO2 Electroreduction“ zeigt, wie das Team erfolgreich eine Kombination aus Kupfer und Zinkoxid verwendet hat, um die katalytische Reduktion von CO2 (CO2RR, engl. CO2 reduction reaction) zu Ethanol zu beschleunigen. Traditionell basierte dieser Prozess ausschließlich auf Kupferkatalysatoren, die unter stationären Reaktionsbedingungen betrieben wurden, was nicht die beste Selektivität für Ethanol gewährleistet. Es ist bekannt, dass gepulste CO2RR dies ändern kann, aber obwohl es ein vielversprechender Ansatz ist, kann der Katalysator aufgrund der anspruchsvolleren Reaktionsbedingungen Stabilitätsprobleme haben, die seiner Leistung schaden.

Diese neue Forschungsarbeit zeigt klar die Vorteile der Verwendung von gepulsten CO2RR. Darüber hinaus entdeckte das Team, dass durch das Aufbringen einer Zinkoxidhülle um die Kupferoxid-Nanowürfeln die Ethanolproduktion in der gepulsten CO2RR gesteigert und unerwünschte Nebenprodukte wie Wasserstoff minimiert werden können. Insbesondere war es möglich, ähnliche oder sogar bessere Ergebnisse bei der Ethanolproduktion im Vergleich zu reinen Kupferkatalysatoren zu erzielen, jedoch unter deutlich weniger anspruchsvollen Reaktionsbedingungen.

In der Vergangenheit führte der Oxidationsprozess des Katalysators bei der gepulsten CO2-Reduktion zum Verlust von Kupferatomen durch oxidative Auflösung im flüssigen Medium (Elektrolyt). Dies kann im Laufe der Zeit die Leistung und Selektivität des Katalysators verschlechtern. Im Gegensatz dazu zeigt die vorliegende Studie, dass durch die Zinkoxid-Hülle um den Kupfer-Nanowürfeln ein langlebigerer Elektrokatalysator in der gepulsten CO2RR entwickelt werden kann. Bei Verwendung der neuen Katalysatoren oxidiert hauptsächlich die Zinkkomponente, wodurch das Kupfer geschont und die Integrität und Effizienz des Katalysators erhalten bleibt.

Dieser innovative Ansatz verlängert daher die Lebensdauer der Katalysatoren unter den dynamischen Reaktionsbedingungen, die für die Erzeugung von Alkoholprodukten optimiert sind. Die detaillierten Informationen über die Struktur und Zusammensetzung des katalytischen Materials, die für seine Optimierung erforderlich sind, wurden mittels operando Raman-Spektroskopie gewonnen, einer Methode mit hervorragender Empfindlichkeit für die Erkennung adsorbierter Reaktionszwischenprodukte.

Diese Entdeckung unterstützt nicht nur die Hypothese, dass der Oxidationszustand des Metalls eine entscheidende Rolle in der Reaktion spielt und dass die aktiven Reaktionsspezies während des katalytischen Prozesses entstehen, sondern zeigt auch einen potenziellen Weg zur Verbesserung der Selektivität und Effizienz der CO2-Reduktion zu Ethanol auf. Sie stellt einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis auf der Suche nach nachhaltigen Energielösungen dar und bietet einen vielversprechenden Weg für eine grüne und kostengünstige Produktion von Ethanol und anderen Brennstoffen aus CO2.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Arno Bergmann
abergmann@fhi-berlin.mpg.de

Originalpublikation:

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2024/EE/D4EE02308K

Weitere Informationen:

https://www.fhi.mpg.de/1606212/2024-09-09-Ethanol-Production