Umhüllung von Kupfer-Nanowürfeln kann helfen, Kohlendioxid in andere Chemikalien umzuwandeln
Forscher fanden einen neuen Weg zur Verringerung der Kohlendioxid (CO2)-Emissionen, indem sie Kupfer-Nanowürfel mit einer organischen Schicht umhüllten, Instabilitäts- und Selektivitätsprobleme mit Kupfer-Nanowürfeln in der Katalyse lösten und verbesserten, wie dieser Elektrokatalysator CO2 in organische Moleküle umwandelt.
Die organische Schicht, die auf dem Kupferoxid-Nanowürfel aufgewachsen ist, verbesserte die CO2-Reduktionsselektivität der von ihr umhüllten Cu-Spezies und behielt auch ihre kubische Struktur während der Katalyse bei.
Shoko Kume, Hiroshima University
Angesichts der Notwendigkeit, den Klimawandel einzudämmen, versuchen Wissenschaftler, neue Wege zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen zu finden. Ein Verfahren, die so genannte elektrochemische Reduktion oder Elektrolyse, nutzt Elektrizität und einen Katalysator, um Kohlendioxid in organische Produkte umzuwandeln, die auf andere Weise verwendet werden können. Anders als bei der Umwandlung von Wasser in Wasserstoff können bei der chemischen Wiederverwertung von Kohlendioxid verschiedene brauchbare Produkte entstehen, da Kohlenstoff eine große Vielfalt an organischen Strukturen entwickeln kann.
Eine Möglichkeit zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid besteht in der Verwendung sehr kleiner Kupferstücke. Während die Umwandlung von Kohlendioxid in verschiedene organische Moleküle bereits aus Kupfermetall bekannt ist, können diese kleinen Kupferstücke die katalytische Aktivität nicht nur durch die Vergrößerung der Oberfläche, sondern auch durch die einzigartige elektronische Struktur des Kupfers, die durch die Nanogröße entsteht, weiter verbessern.
In einem am 23. Juni in der Zeitschrift Chemical Communications veröffentlichten Artikel erläutern die Forscher einen Prozess zur Verbesserung der Art und Weise, wie die Kupfer-Nanowürfel Kohlendioxid umwandeln, indem sie ihre Selektivität erhöhen. Unter Selektivität versteht man die Fähigkeit eines Katalysators, ein gewünschtes Produkt gegenüber unerwünschten Nebenprodukten zu erzeugen.
"Jüngste Entwicklungen bei der Kohlendioxidreduzierung mit Kupferelektrokatalysatoren können das Gas in Kohlenwasserstoffe und Alkohol umwandeln, aber die Selektivität verschiedener bisher entwickelter kupferbezogener Elektrokatalysatoren ist immer noch schwer fassbar, da sie dazu neigen, ihre Aktivität durch strukturelle Reorganisation während der Katalyse zu verlieren", sagte Shoko Kume, außerordentlicher Professor an der Graduate School of Advanced Science and Engineering der Hiroshima University in Japan.
Die Forscher fanden heraus, dass dieses Problem durch das Aufwachsen einer organischen Schicht auf den Nanowürfeln gelöst werden kann. Zunächst wurden zwei Monomere zu den Kupferoxid-Nanowürfeln hinzugefügt. Diese Monomere wurden durch die Chemie des Kupferoxids gebunden und eine gleichmäßige organische Schicht wuchs auf der Oberfläche der Würfel. Diese neue organische Schicht trägt dazu bei, die Selektivität der Kohlendioxidreduktion zu verbessern, u. a. weil Kohlendioxid schlecht löslich ist und die von den Forschern hergestellte organische Schicht hydrophobe Eigenschaften hat, d. h. sie stößt überschüssiges Wasser ab, aus dem unerwünschter Wasserstoff entsteht. "Die Umhüllung verbesserte die Kohlendioxidreduktion des Kupfers unter dieser organischen Schicht, indem sie die Wasserstoffentwicklung unterdrückte und außerdem die kubische Struktur während des gesamten Katalysatorbetriebs beibehielt", so Kume.
Ein weiterer wichtiger Faktor zur Verbesserung der Qualität der organischen Schicht war die Temperatur zum Zeitpunkt des Wachstums, wobei die besten Ergebnisse bei Raumtemperatur erzielt wurden. Unter den besten Bedingungen ist die Schicht flach und hat eine Dicke von mehreren Molekülen. Selbst die dünne Schicht lässt Kohlendioxid durch und ermöglicht die Elektroreduktion des eingewickelten Kupfers, wodurch die Metalle geschützt werden und die Würfel ihre Form beibehalten.
Derzeit sind Kupfer-Nanowürfel als Methode zur Kohlendioxidreduzierung nicht weit verbreitet, da sie instabil sind und nicht die nötige Selektivität aufweisen, um das Kohlendioxid effektiv in andere chemische Produkte zu recyceln. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eine neue Methode zur Herstellung eines Elektrokatalysators aus Kupfer-Nanowürfeln auf, die einige dieser Probleme lösen kann. Die Forscher weisen auch darauf hin, dass die Methode modifiziert werden kann, um sowohl die Selektivität zu kontrollieren als auch die Funktionsweise der Katalysatoren zu verbessern.
"Unsere derzeitige Methode kann eine Vielzahl von organischen Strukturen in die Schicht einbringen, die in den Kohlendioxid-Reduktionsprozess einbezogen werden können, um dessen Selektivität und Effizienz zu steuern", so Kume. "Sie kann auch verwendet werden, um das dynamische Verhalten von Metallspezies während der Katalyse zu kontrollieren, wodurch Katalysatoren mit langer Lebensdauer und Toleranz gegenüber Verunreinigungen entwickelt werden können."
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