Umwandeln von Kohlendioxid in nützliche Energie
Einzelne Nickelatome können ein effiziente und kostengünstige Katalysatoren für die Umwandlung von Kohlendioxid in nützliche Chemikalien sein. Forscher am Brookhaven National Laboratory des U.S. Department of Energy (DOE) haben gemeinsam mit anderen einen neuen Elektrokatalysator identifiziert, der CO2 effizient in CO, ein hochenergetisches Molekül, umwandelt. Ihre Ergebnisse wurden vor kurzem in Energy & Environmental Science veröffentlicht.
„Es gibt viele Möglichkeiten, CO zu nutzen“, sagte Brookhaven-Forscher Eli Stavitski, Autor des Papiers. „Man kann es mit Wasser zu energiereichem Wasserstoffgas oder mit Wasserstoff in nützliche Chemikalien wie Kohlenwasserstoffe oder Alkohole umwandeln. Wenn es einen nachhaltigen und kosteneffizienten Weg gäbe, um aus CO2 CO zu machen, wäre das für die Gesellschaft von großem Nutzen.“
CO2-Rauch-Wasserdampf-Fahne Kraftwerk Reuter-West und Müllverbrennungsanlage, Berlin – Fotomontage © Solarify
Wissenschaftler haben lange nach einer Möglichkeit gesucht, CO2 in CO umzuwandeln, aber herkömmliche Elektrokatalysatoren können die Reaktion nicht effektiv einleiten. Denn eine konkurrierende Reaktion, die so genannte Wasserstoff-Entwicklungsreaktion (HER) oder „Wasserspaltung“, überlagert die CO2-Umwandlungsreaktion.
Einige wenige Edelmetalle, wie Gold und Platin, können HER vermeiden und CO2 in CO umwandeln; diese Metalle sind jedoch relativ selten und zu teuer, um als kostengünstige Katalysatoren zu dienen. Um CO2 kostengünstig in CO umzuwandeln, nutzten die Wissenschaftler nun eine völlig neue Form des Katalysators: Anstelle von Edelmetall-Nanopartikeln verwendeten sie einzelne Atome aus Nickel.
„Nickel wurde selten in großen Mengen als vielversprechender Kandidat für die Umwandlung von CO2 in CO ausgewählt“, sagte Haotian Wang, Rowland Fellow an der Harvard University und Ko-Autor des Berichts. „Ein Grund dafür ist, dass es HER sehr gut ablaufen lässt und die Selektivität der CO2-Reduktion drastisch reduziert. Ein weiterer Grund ist, dass seine Oberfläche leicht durch CO-Moleküle vergiftet werden kann, wenn welche entstehen.“
Einzelne Atome des Nickels ergeben jedoch ein anderes Ergebnis. „Einzelne Atome produzieren lieber CO als die konkurrierende HER, weil die Oberfläche eines Massenmetalls ganz anders reagiert als einzelne Atome,“ sagte Stavitski. Und Klaus Attenkofer, ebenfalls Brookhaven-Wissenschaftler und Mitautor des Papiers, fügte hinzu: „Die Oberfläche eines Metalls hat ein Energiepotenzial – sie ist einheitlich. Während an einem einzigen Atom jeder Ort auf der Oberfläche eine andere Art von Energie hat.“
Wirkungsgrad von maximal 97 Prozent
Neben den einzigartigen energetischen Eigenschaften einzelner Atome wurde die CO2-Konversionsreaktion durch die Wechselwirkung der Nickelatome mit einer umgebenden Graphenschicht erleichtert. Die Verankerung der Atome an Graphen ermöglichte es den Wissenschaftlern, den Katalysator abzustimmen und HER zu unterdrücken.
Um einen genaueren Blick auf die einzelnen Nickelatome innerhalb der atomar dünnen Graphenschicht zu werfen, nutzten die Wissenschaftler die Rastertransmissions-Eelektronenmikroskopie (STEM) am Center for Functional Nanomaterials (CFN) in Brookhaven. Durch Scannen mit einer Elektronensonde über der Probe konnten die Wissenschaftler einzelne Nickelatome auf dem Graphen sichtbar machen.
„Unser hochmodernes Transmissions-Elektronenmikroskop ist ein einzigartiges Werkzeug, um extrem kleine Merkmale wie einzelne Atome zu sehen“, sagt Sooyeon Hwang, Wissenschaftler am CFN und ebenfalls Co-Autor des Papiers. „Einzelne Atome sind normalerweise instabil und neigen dazu, sich auf dem Träger zu sammeln“, fügte Dong Su hinzu, ebenfalls CFN und weiterer Co-Autor. „Wir fanden jedoch, dass die einzelnen Nickelatome gleichmäßig verteilt waren, was für dn hervorragenden Ablauf der Umwandlungsreaktion verantwortlich war.“
„Photonen oder Lichtteilchen interagieren mit den Elektronen in den Nickelatomen, und tun zweierlei“, so Stavitski. „Sie senden die Elektronen in höhere Energiezustände, und durch die Abbildung dieser Energiezustände können wir die elektronische Konfiguration und den chemischen Zustand des Materials erkennen. Wenn wir die Energie der Photonen erhöhen, stoßen sie die Elektronen von den Atomen ab und interagieren mit den benachbarten Elementen.“ Damit erhielten die Wissenschaftler im Wesentlichen ein Bild der lokalen Struktur der Nickelatome.
Basierend auf den Ergebnissen der Studien in Harvard, NSLS-II, CFN und weiteren Institutionen entdeckten die Wissenschaftler, dass einzelne Nickelatome die CO2-Konversionsreaktion mit einem Wirkungsgrad von maximal 97 Prozent katalysierten. Den Forschern zufolge ist das ein großer Schritt in Richtung CO2-Recycling für nutzbare Energie und Chemikalien.
„Um diese Technologie in Zukunft auf reale Anwendungen anwenden zu können, sind wir derzeit bestrebt, diesen Einzelatom-Katalysator kostengünstig und großtechnisch herzustellen, gleichzeitig seine Leistung zu verbessern und seine Effizienz zu erhalten“, so Wang.
->Quelle:
- bnl.gov/newsroom/news.php
- Originalartikel: Kun Jiang, Samira Siahrostami, Tingting Zheng, Yongfeng Hu, Sooyeon Hwang, Eli Stavitski, Yande Peng, James Dynes, Mehash Gangisetty, Dong Su, Klaus Attenkofer and Haotian Wang: „Isolated Ni single atoms in graphene nanosheets for high-performance CO2 reduction“ („Isolierte Ni-Einzelatome in Graphen-Nanoblättern zur Hochleistungs-CO2-Reduzierung“)
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