Brennstoff aus Treibhausgas |
Ein Schritt in Richtung CO2-Neutralität und damit zur Abmilderung des Treibhauseffekts sowie der Energiekrise könnte die Umwandlung von CO2 in Kohlenwasserstoff-basierte Brennstoffe wie Methan sein – angetrieben durch Sonnenlicht. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellt ein chinesisches Forschungsteam einen geeigneten, sehr effektiven Photokatalysator auf Basis vereinzelter Goldatome vor.
Die photokatalytische Umwandlung von CO2 läuft über eine Reihe von
Prozessen, bei denen Elektronen übertragen werden. Dabei können
verschiedenen Produkten entstehen, u.a. Kohlenmonoxid (CO), Methanol
(CH3OH), Methan (CH4) sowie weitere Kohlenwasserstoffe. Acht Elektronen
müssen für den Weg von CO2 zu CH4 transferiert werden – mehr als für
andere C1-Produkte. Methan als Endprodukt ist zwar thermodynamisch
bevorzugt, aber die Konkurrenzreaktion zu CO etwa benötigt nur zwei
Elektronen und läuft viel schneller ab, ist also kinetisch bevorzugt.
Eine effektive und selektive Methanisierung ist daher besonders
herausfordernd.
Das Team um Hefeng Cheng von der Shandong
University in Jinan hat jetzt einen praktikablen Ansatz entwickelt, um
CO2 mittels Sonnenenergie effizient in Methan zu verwandeln. Schlüssel
zum Erfolg ist ein neuartiger Katalysator mit einzelnen Goldatomen. Da
Goldatome bei konventionellen Präparationsmethoden aggregieren,
entwickelte das Team eine neue Strategie über einen Komplex-Austausch
zur Herstellung des Katalysators.
Einzelatom-Katalysatoren
verhalten sich aufgrund ihrer besonderen elektronischen Strukturen
anders als herkömmliche Metall-Nanopartikel. Auf einem geeigneten
Trägermaterial fixiert sind zudem quasi alle einzelnen Atome als
katalytisch aktive Zentren zugänglich. Bei diesem neuen Katalysator sind
einzelne Goldatome auf einer ultradünnen Zink-Indium-Sulfid-Nanoschicht
verankert und mit nur je zwei Schwefelatomen koordiniert. Unter
Sonnenlicht zeigte sich der Katalysator sehr aktiv bei einer
Methan-Selektivität von 77 %.
Ein Photosensibilisator (ein
Ruthenium-Komplex) absorbiert Licht, wird angeregt und nimmt ein
Elektron auf, das von einem Elektronen-Donor (Triethanolamin) zur
Verfügung gestellt wird, und gibt es an den Katalysator weiter. Die
einzelnen Goldatome auf der Oberfläche des Trägermaterials agieren als
„Elektronenpumpen“: Sie fangen die Elektronen wesentlich effektiver ein
als z.B. Gold-Nanopartikel und übertragen sie dann auf CO2-Moleküle und
Intermediate.
Detaillierte Charakterisierungen und
Computerberechnungen ergaben, dass der Katalysator die CO2-Moleküle
zudem deutlich stärker als Gold-Nanopartikel aktiviert, die angeregte
*CO-Zwischenstufe stärker adsorbiert, die Energiebarriere für die
Bindung von Wasserstoffionen senkt und die angeregte *CH3-Zwischenstufe
stabilisiert. So kann sich bevorzugt CH4 bilden, während die Freisetzung
von CO minimiert wird.
Den Artikel finden Sie unter:
https://onlinelibrary.wiley.com/page/journal/15213757/homepage/press/202219press.html
Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (09/2022)
Publikation: https://doi.org/10.1002/ange.202209446 |