Das Potenzial von Nickel freisetzen

Neue Studie zeigt, wie man einzelne Atome nutzt, um CO2 in wertvolle chemische Ressourcen umzuwandeln.

Eine Studie, veröffentlicht in den Physical Review Letters von der Abteilung Interface Science am Fritz-Haber-Institut, hat neue Erkenntnisse über die elektrokatalytische Reduktion von CO2 mit nickelbasierten Katalysatoren enthüllt. Die Forschung, geleitet von Dr. Janis Timoshenko und Prof. Dr. Beatriz Roldán Cuenya, stellt einen bedeutenden Fortschritt auf der Suche nach nachhaltigen und effizienten CO2-Umwandlungstechnologien dar, die darauf abzielen, den künstlichen Kohlenstoffkreislauf zu schließen.

Den Durchbruch verstehen

Nickel- und stickstoff-co-dotierte Kohlenstoffkatalysatoren (Ni-N-C) haben außergewöhnliche Leistungen bei der Umwandlung von CO2 in CO, einem wertvollen chemischen Rohstoff, gezeigt. Der genaue Wirkmechanismus dieser Katalysatoren blieb jedoch bis jetzt unklar. Die Studie „Unveiling the Adsorbate Configurations in Ni Single Atom Catalysts during CO2 Electrocatalytic Reduction using Operando XAS, XES and Machine Learning“ liefert direkte experimentelle Einblicke in die Natur der Adsorbate (Moleküle, die an der Oberfläche des Katalysators haften), die sich an den Nickelstellen bilden, und die sich entwickelnde Struktur der aktiven Stellen während der CO2-Reduktionsreaktion (CO2RR).

Wie sie es gemacht haben

Das Forschungsteam nutzte fortschrittliche Techniken wie operando Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) und Valenz-zu-Kern-Röntgenemissionsspektroskopie (vtc-XES), um die Katalysatoren in Aktion zu beobachten. Diese fortschrittlichen Methoden, kombiniert mit maschinellem Lernen und der Dichtefunktionaltheorie, ermöglichten es dem Team, die lokale atomare und elektronische Struktur der Katalysatoren in beispielloser Detailgenauigkeit zu kartieren. Diese Arbeit illustriert die Kraft eines multi-technischen operando Charakterisierungsansatzes, kombiniert mit maschinellem Lernen und Modellierung, um tiefgehende mechanistische Einblicke zu gewinnen.

Warum es wichtig ist

Zu verstehen, wie nickelbasierte Katalysatoren auf atomarer Ebene mit CO2 interagieren, ist entscheidend für ihr rationales Design, um ihre Effizienz und Selektivität zu verbessern. Dieses Wissen kann zur Entwicklung effektiverer und langlebigerer Katalysatoren führen, wodurch der CO2-Reduktionsprozess für industrielle Anwendungen praktikabler wird. Im Wesentlichen hilft diese Forschung, den Weg zu ebnen, um CO2, ein Treibhausgas, in wertvolle Ressourcen wie Kohlenmonoxid (CO) umzuwandeln, das in verschiedenen industriellen Prozessen verwendet werden kann, einschließlich solcher, bei denen es mit grünem Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse zur Synthese höherer Kohlenwasserstoffe kombiniert werden kann.

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, einen perfekten Kuchen zu backen, ohne zu wissen, wie die Zutaten im Ofen interagieren und wie der Kuchen aufgeht oder schließlich verbrennt. In der Ofen-Analogie kann man durch ein Fenster sehen und die visuellen Informationen nutzen, um Änderungen an der Temperatur und der Backzeit vorzunehmen. Die vorliegende Studie ist wie eine High-Tech-Kamera, die Ihnen genau zeigt, wie sich die Zutaten beim Backen mischen und verändern, sodass Sie das Rezept (und/oder die Ofenbedingungen) während des Backens für die besten Ergebnisse anpassen können. Ähnlich können Wissenschaftler, indem sie verstehen, wie CO2 mit Nickelkatalysatoren interagiert, den Prozess feinabstimmen, um die gewünschten Produkte effizienter zu erzeugen.

Blick in die Zukunft

Diese Studie verbessert nicht nur unser Verständnis von nickelbasierten Katalysatoren, sondern ebnet auch den Weg für zukünftige Fortschritte in CO2-Reduktionstechnologien. Indem sie ein detailliertes Bild davon liefert, wie diese Katalysatoren funktionieren, eröffnet die Forschung neue Möglichkeiten für die Entwicklung noch effizienterer Systeme zur Umwandlung von CO2 in wertvolle Produkte.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Janis Timoshenko, janis@fhi-berlin.mpg

Prof. Dr. Beatriz Roldán Cuenya, roldan@fhi-berlin.mp

Originalpublikation:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.228001

Weitere Informationen:

https://www.fhi.mpg.de/1650432/2024-11-29-Unlocking-the-Potential-of-Nickel