18.03.2022 - Tsinghua University

Kupfer-Silber-Gold-Nanostruktur gibt Kohlenstoffabscheidung und -verwertung einen Schub

"Wir dachten, wenn zwei Metalle gute Ergebnisse liefern, dann sind drei Metalle vielleicht noch besser"

Chemiker haben eine Struktur im Nanomaßstab entwickelt, die Kupfer, Gold und Silber kombiniert, um als überlegener Katalysator in einer chemischen Reaktion zu fungieren, deren verbesserte Leistung von entscheidender Bedeutung ist, wenn die Bemühungen um die Abscheidung und Nutzung von Kohlenstoff erfolgreich sein sollen, um die globale Erwärmung einzudämmen.

Angesichts der Herausforderung des Klimawandels haben sich die politischen Entscheidungsträger in den letzten Jahren zunehmend auf die Kohlenstoffabscheidung und -verwertung (CCU) konzentriert, bei der CO2 aus der Atmosphäre abgesaugt und dann als Ausgangsstoff für Industriechemikalien (wie Kohlenmonoxid, Ameisensäure, Ethylen und Ethanol) oder für die Herstellung kohlenstoffneutraler synthetischer Kraftstoffe (besonders nützlich für schwer zu elektrifizierende Verkehrssektoren wie Langstreckenflugzeuge und Schiffe) verwendet wird. Solange der letztgenannte Prozess mit sauberem Strom betrieben wird, bietet er auch eine Möglichkeit, erneuerbare Energie langfristig zu speichern - der heilige Gral zur Überwindung der Unbeständigkeit von Energieoptionen wie Wind- und Sonnenenergie.

Eine Möglichkeit, dies alles zu erreichen, ist eine chemische Reaktion, die elektrochemische CO2-Reduktionsreaktion (eCO2RR oder einfach ECR). Dabei wird Strom für die Umwandlung des Gases in andere nutzbare Stoffe verwendet, indem die Kohlenstoffatome des CO2 von seinen Sauerstoffatomen getrennt werden. Wasser kann bei einigen ECR-Varianten auch als Wasserstoff-"Spender" dienen, wobei die Kohlenstoffatome mit Wasserstoff kombiniert werden, um verschiedene Arten von Kohlenwasserstoffen oder Alkoholen zu erzeugen.

Der Schlüssel zur ECR ist die Verwendung des richtigen Katalysators oder einer chemischen Substanz, die aufgrund ihrer Struktur und Ladung eine chemische Reaktion in Gang setzen oder beschleunigen kann. Je nach gewünschtem Endprodukt werden verschiedene Metalle als Katalysatoren verwendet. Zu den Katalysatoren, die nur eine Art von Metall verwenden, gehören Zinn zur Herstellung von Ameisensäure, Silber für Kohlenmonoxid (CO) und Kupfer für Methan, Ethylen oder Ethanol.

Die Leistung des Verfahrens kann jedoch eingeschränkt werden, wenn ECR mit der Tendenz der Wasserstoffatome bei der elektrochemischen Spaltung von Wasser konkurriert, sich mit sich selbst zu verbinden, anstatt sich mit den Kohlenstoffatomen zu verbinden. Dieser Wettbewerb kann dazu führen, dass ein anderes chemisches Endprodukt als das gewünschte erzeugt (oder "ausgewählt") wird. Aus diesem Grund sind Chemiker seit langem auf der Suche nach Katalysatoren mit hoher "Selektivität".

In jüngster Zeit haben sich die Forscher von der Verwendung eines einzelnen Metalls als Katalysator auf die Verwendung von Heterostrukturen verlegt, die zwei unterschiedliche Materialien enthalten, deren kombinierte Eigenschaften zu anderen oder besseren Ergebnissen führen als die der einzelnen Materialien allein.

Zu den Heterostrukturen, die für ECR getestet wurden, gehören die Kombination von Silber und Palladium in einer verzweigten Formation (AgPd-"Nanodentriten") und verschiedene andere Kombinationen von zwei Metallen in sandwichartigen, röhrenartigen, pyramidenförmigen und anderen Formen. Beachtliche Erfolge haben die Forscher mit bimetallischen Heterostrukturen erzielt, die Kupfer enthalten, das sehr gut in der Lage ist, CO2 in Produkte umzuwandeln, die zwei Kohlenstoffatome verwenden. Zu diesen bimetallischen Heterostrukturen gehören Silber-Kupfer (AgCu), Zink-Kupfer (ZnCu) und Gold-Kupfer (AuCu), wobei letzteres besonders erfolgreich für Methan, C2 und Kohlenmonoxid selektiv ist.

"Wir dachten, wenn zwei Metalle gute Ergebnisse liefern, dann sind drei Metalle vielleicht noch besser", so Zhicheng Zhang, Nanochemiker an der Universität Tianjin und Mitautor der Studie.

Also konstruierten die Forscher eine trimetallische Nanostruktur, die Gold, Silber und Kupfer kombinierte und eine asymmetrische Form hatte. Die Form und das genaue Verhältnis der drei Metalle können durch eine mehrstufige Wachstumsmethode verändert werden. Konkret werden zunächst "Nanopyramiden" aus Gold synthetisiert und als "Keim" für das anschließende Wachstum verschiedener trimetallischer Strukturen mit unterschiedlichen Verhältnissen der drei Metalle verwendet.

Sie fanden heraus, dass sie durch die einzigartige Form ihrer Heterostruktur und durch die Veränderung der Verhältnisse dieser drei Metalle die Selektivität für verschiedene C2-basierte Produkte sorgfältig einstellen können. Insbesondere die Produktion von Ethanol (C2H6O) wurde durch die Verwendung einer Heterostruktur maximiert, bei der das Zuführungsverhältnis jeweils ein Atom Gold und Silber mit fünf Kupferatomen kombiniert.

Die Arbeit stellt eine vielversprechende Strategie für die Entwicklung anderer trimetallischer Nanomaterialien im Rahmen der ECR-Entwicklung dar.

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