Neuer Katalysator - Wie das Klimagas Kohlendioxid zum Rohstoff wird

Praktisch wäre es, wenn man das Treibhausgas Kohlendioxid in eine nützliche Chemikalie verwandeln könnte. Bislang fehlte es den Katalysatoren aber an Effizienz.
Zwei Frauen in einem Forschungslabor (RUB, Kramer)
Sie forschen an neuen Katalysatoren, die Kohlendioxid umwandeln: Hemma Mistry (links) und Beatriz Roldan Cuenya.
Foto: RUB, Kramer

Forscher haben einen Katalysator entdeckt, der das Klimagas Kohlendioxid hochselektiv in Ethylen umwandelt – einen wichtigen Ausgangsstoff für die chemische Industrie. In der Zeitschrift „Nature Communications“ beschreibt ein Team um Prof. Dr. Beatriz Roldan Cuenya von der Ruhr-Universität Bochum, wie plasmabehandeltes Kupfer diese Aufgabe verrichten kann.

Bislang existierende Katalysatoren für die Umwandlung von Kohlendioxid in nützliche Chemikalien waren nicht effizient genug. Ein Problem: Die Materialien besitzen keine hohe Selektivität; sie produzieren sehr wenig Ethylen und zu viele ungewollte Nebenprodukte. In dem vorliegenden Fall ist dies nun anders.
 
Mehr Selektivität durch Plasmabehandlung
Doktorandin Hemma Mistry vom Bochumer Institut für Experimentalphysik IV nutzte Kupferfilme als Katalysatoren, die sie zuvor mit einem Sauerstoff- und Wasserstoffplasma behandelte. Dadurch veränderte sie die Eigenschaften der Kupferoberfläche, machte sie zum Beispiel rauer oder weniger rau und oxidierte das Material. Die Wissenschaftlerin variierte die Plasmaparameter so lange, bis sie die optimalen Oberflächeneigenschaften gefunden hatte.

Ihr bester Katalysator erreicht eine höhere Ethylen-Produktionsrate als herkömmliche Kupferkatalysatoren. Gleichzeitig arbeitet er sehr selektiv, sodass kaum unerwünschte Nebenprodukte entstehen. „Es ist ein neuer Rekord für dieses Material“, resümiert Beatriz Roldan Cuenya.
 
Mechanismus entschlüsselt
Die Forscher entschlüsselten auch den Grund für den Erfolg der Plasmabehandlung. Mit Synchrotronstrahlung untersuchten sie den chemischen Zustand des Kupferfilms während der Katalyse der Reaktion. So fanden sie die Ursache für die hohe Ethylen-Selektivität. Entscheidend dafür waren positiv geladene Kupferionen an der Katalysatoroberfläche.

Zuvor war man davon ausgegangen, dass Kupfer unter den Reaktionsbedingungen nur in seiner ungeladenen metallischen Form vorliegen kann. Eine Annahme, die die Forscher nun widerlegten und in zusätzlichen mikroskopischen Analysen bestätigten.

„Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für das gezielte Design von Katalysatoren auf der Nanoskala mit gewünschter Aktivität und Selektivität“, sagt Beatriz Roldan Cuenya, Leiterin des Instituts für Experimentalphysik IV an der RUB mit den Schwerpunkten Festkörper- und Oberflächenphysik.
 
Kooperationspartner
Für die Studie kooperierte die Gruppe von Beatriz Roldan Cuenya aus Bochum mit der Gruppe von Prof. Dr. Peter Strasser von der Technischen Universität Berlin, der Gruppe von Prof. Dr. Judith C. Yang von der Universität von Pittsburg und der Gruppe von Dr. Eric A. Stach von dem Brookhaven National Laboratory. Das Team nutzte die Versuchsanlagen an der Stanford-Synchrotron-Strahlungsquelle.
 
Förderung
Finanzielle Unterstützung für die Studie kam vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (#03SF0523, CO2EKAT), der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC 1069) sowie der US National Science Foundation (NSF-Chemistry 1213182 und NSF-DMR 1207065) und dem Office for Basic Energy Sciences des US Department of Energy (DE-FG02-08ER15995).
 
Originalveröffentlichung
Hemma Mistry et al.: Highly selective plasma-activated copper catalysts for carbon dioxide reduction to ethylene, in: Nature Communications, 2016, DOI: 10.1038/ncomms12123