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Freitag, den 31. Januar 2025 um 04:57 Uhr

Elektrokatalyse: Neue Entdeckungen in chemischen Reaktionen

Wissenschaftler*innen der Abteilung für Interface Science am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft haben gemeinsam mit Kolleginnen vom Helmholtz-Zentrum Berlin einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Elektrokatalyse erzielt. Ihre aktuelle Forschung untersucht, wie Katalysatoren während der Nitratreduktion in unerwarteten Formen bestehen bleiben können. Diese Studie liefert neue Erkenntnisse, die potenziell zu effizienteren Designs von Katalysatoren führen könnten.

Katalysatoren verstehen: Der Schlüssel zu besseren chemischen Reaktionen

Katalysatoren sind Substanzen, die chemische Reaktionen beschleunigen, ohne dabei verbraucht zu werden, und spielen eine entscheidende Rolle in vielen industriellen Anwendungen, wie der Kraftstoffproduktion und der Herstellung von Pharmazeutika. Das Verständnis ihres Verhaltens während der Reaktion ist jedoch herausfordernd, da Katalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung ändern können, wenn ein elektrisches Potenzial angelegt wird – ähnlich wie ein Chamäleon seine Farbe anpasst. Eine gängige Annahme war, dass Katalysatoren schnell in ihren aktiven Zustand übergehen, sobald das elektrische Potenzial wirkt.

Ein multimodaler Ansatz zur Untersuchung von Katalysatoren

Das Forschungsteam hat mit einer innovativen Kombination fortschrittlicher Techniken gezeigt, dass die Annahme, Katalysatoren würden schnell in ihren aktiven Zustand übergehen, unter bestimmten Bedingungen nicht zutrifft. Sie verwendeten elektrochemische Flüssigzellen-Transmissionselektronenmikroskopie (EC-TEM), um kubische Cu2O-Vorkatalysatoren während der Nitratreduktionsreaktion zur Erzeugung von grünem Ammoniak zu beobachten. Diese Technik ermöglichte es ihnen, die Veränderungen der Katalysatoren während der Reaktion zu verfolgen. Zudem setzten sie Röntgenmikroskopie/-spektroskopie und Raman-Spektroskopie ein, um zu überprüfen, ob sich die Vorkatalysatoren in die erwartete Cu-Metallphase umwandeln und ob diese Umwandlung gleichmäßig über alle Nanokatalysatorpartikel erfolgt.

Eine wichtige Erkenntnis war, dass die Cu2O-Würfel nicht schnell in den bevorzugten metallischen Zustand übergehen; stattdessen verbleiben sie während des Betriebs lange Zeit als Mischung aus Cu-Metall, Cu-Oxid und Cu-Hydroxid. Die Zusammensetzung dieser Mischung sowie die Form der entwickelten Katalysatoren hängen stark vom angelegten elektrischen Potenzial, der chemischen Umgebung und der Reaktionsdauer ab.

Auswirkungen auf die Ammoniakselektivität

Ein großer Anreiz für die Untersuchung der Nitratreduktion ist das Potenzial, Abfallnitrate zu recyceln, indem sie wieder in Ammoniak umgewandelt werden, einen Schlüsselbestandteil von Düngemitteln für die Nahrungsmittelproduktion. Bisher basierten unsere Strategien zur Optimierung dieses Prozesses darauf, dass Katalysatoren während der Reaktion ihre günstigsten Formen annehmen. Diese Forschung wird den Weg für neue Ansätze zur Gestaltung der Cu-basierten Vorkatalysatoren ebnen, die besser in der Lage sind, Ammoniak zu produzieren.

Fazit

Dr. See Wee Chee, Gruppenleiter in der Abteilung für Interface Science und korrespondierender Autor der Studie, betont: "Es ist unerwartet, dass wir während der Reaktion verschiedene Phasen erhalten, insbesondere wenn wir von einer einzigen Form eines Einzelelement-Vorkatalysators ausgehen. Wichtiger ist, dass dieser gemischte Zustand lange aufrechterhalten werden kann, was wertvolle Einblicke bietet, wenn wir effizientere Katalysatoren entwerfen wollen." Diese Forschung zeigt auch, wie fortschrittliche Echtzeit-Beobachtungstechniken, die lokale chemische Unterschiede erfassen können, uns helfen können, die komplexe Natur von Katalysatoren bei der Arbeit zu verstehen.

Prof. Beatriz Roldán, Direktorin der Abteilung für Interface Science am FHI und korrespondierende Autorin, erklärte: "Industriell wird NH3 über das Gasphasen-Haber-Bosch-Thermokatalyseverfahren synthetisiert, das bei moderaten Temperaturen (450-550 °C) aber hohem Druck (150 bar) mit einem hohen Verbrauch an fossilem H2 stattfindet. Die Herausforderung, der wir uns hier gestellt haben, bestand darin, eine alternative Methode zur NH3-Synthese mit reduzierten Kohlenstoffemissionen zu finden. Dies wurde erreicht, indem ein direkter elektrokatalytischer Weg eingeschlagen wurde, der durch erneuerbare Elektrizität angetrieben wird."


Den ganzen Artikel finden Sie unter:

https://www.fhi.mpg.de/1697693/2025-01-24-secret-life-of-catalysts

Quelle: Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (01/2025)


Publikation:
Revealing Catalyst Restructuring and Composition During Nitrate Electroreduction through Correlated Operando Microscopy and Spectroscopy
https://www.nature.com/articles/s41563-024-02084-8#citeas

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