Forscher knacken das Rätsel um Leistungsabfall bei CO2-Umwandlung

Forscher rätseln seit Langem, warum bei der Umwandlung von CO2 in flüssige Treibstoffe Kupfer-Katalysatoren nur kurz eine hohe Wirkung zeigen. Jetzt kommt man dem aber auf die Spur und könnte die künstliche Photosynthese massiv verbessern.

Atome angucken

Ein Forscherteam unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory und des SLAC National Accelerator Laboratory hat zentrale Prozesse aufgedeckt, die die Leistungsfähigkeit von Kupferkatalysatoren bei der elektrochemischen Umwandlung von CO2 begrenzen - einem zentralen Vorgang in der künstlichen Photosynthese zur Herstellung klimafreundlicher Treibstoffe.

Im Rahmen der Forschung wurde eine neuartige Anwendung der Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) eingesetzt, um direkt zu beobachten, wie sich Kupfer-Nanopartikel während der katalytischen Reaktion verändern. Mit dieser normalerweise für weiche Materialien wie Polymere genutzten Technik gelang es den Wissenschaftlern, bislang ungeklärte Abbauprozesse der Katalysatoren sichtbar zu machen.


Kupfer wurde bereits in den 1980er-Jahren als vielversprechender Katalysator für die CO2-Reduktionsreaktion (CO2RR) identifiziert. Die dabei entstehenden Produkte - etwa Ethanol oder Ethylen - sind wichtige Ausgangsstoffe für Treibstoffe oder Kunststoffe. Doch die außergewöhnlichen katalytischen Eigenschaften des Kupfers nehmen im Einsatz rasch ab, was seine industrielle Nutzbarkeit bislang stark einschränkt.

Schutz fürs Kupfer

Die aktuelle Untersuchung zeigt nun, dass zwei konkurrierende Mechanismen - Partikelmigration und -verschmelzung (PMC) sowie die sogenannte Ostwald-Reifung - für den Abbau verantwortlich sind. In den ersten zwölf Minuten der Reaktion dominieren PMC-Prozesse, bei denen sich kleine Partikel zu größeren Clustern zusammenschließen. Danach übernimmt die Ostwald-Reifung: Kleinere Partikel lösen sich auf und lagern sich auf größere ab.

Durch die präzise Analyse dieser Prozesse konnten die Forscher erstmals spezifische Betriebsbedingungen mit bestimmten Abbauphänomenen verknüpfen. Zukünftige Strategien zur Stabilisierung könnten daher auf verbesserte Trägermaterialien, Schutzbeschichtungen oder gezielte Legierungen setzen, um die Lebensdauer der Katalysatoren entscheidend zu verlängern. Dadurch könnte das Verfahren für die Treibstoff-Gewinnung aus dem CO2 in der Luft sehr viel effizienter werden.


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