Wie Karbonate die Umwandlung von CO2 in Kraftstoff beeinflussen

Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) und des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft (FHI) hat erfolgreich entschlüsselt, wie Karbonate die Umwandlung von CO2​ in nützliche Kraftstoffe beeinflussen, wenn dabei Gold-Elektrokatalysatoren zum Einsatz kommen. Die Studie beleuchtet die molekularen Mechanismen, die sowohl bei der CO2​-Elektrokatalyse als auch bei der Wasserstoffentwicklung eine entscheidende Rolle spielen. Basierend auf diesen Erkenntnissen zeigt das Team gleichzeitig Strategien auf, wie die Energieeffizienz und die Selektivität der katalytischen Reaktion gezielt verbessert werden können.

Einführung in die CO2-Elektroreduktion

Die Umwandlung von atmosphärischem CO2​ in Brennstoffe mittels Elektrokatalyse stellt eine vielversprechende Alternative zur Nutzung fossiler Ressourcen dar. Sie ist aber nach wie vor durch Ineffizienz und hohe Kosten gekennzeichnet. Die Selektivität der elektrokatalytischen CO2​-Umwandlung wird zudem durch gleichzeitig ablaufende, konkurrierende Reaktionen, wie etwa die Wasserstoffentwicklung, eingeschränkt. Der Schlüssel zur Verbesserung der Reaktionseffizienz liegt an der Katalysatoroberfläche. Dort regulieren sogenannte Hydratationsschichten, die durch Wasser und andere Moleküle gebildet werden, die Effizienz, mit der diese chemischen Umwandlungen ablaufen. Allerdings gibt es hier noch große Wissenslücken. Dr. Christopher Kley dazu: „Die Rolle von Karbonatanionen und die Beschaffenheit der Hydratationsschichten während der CO2​-Elektroreduktion sind jedoch noch weitgehend unverstanden.“

Spektroskopische Einblicke in die Karbonat-Rolle

Um die komplexen Prozesse auf der Katalysatoroberfläche sowie die genaue Rolle der Hydratationsschichten besser zu verstehen, setzte Dr. Ya-Wei Zhou komplexe spektroskopische Techniken ein, darunter die oberflächenverstärkte Infrarot-Absorptionsspektroskopie mit abgeschwächter Totalreflexion (ATR-SEIRAS). Diese Methode lieferte wichtige Erkenntnisse über die beteiligten Moleküle.

„Dadurch konnten wir Karbonatradikale (CO3​⋅–) nachweisen, die aus hydratisiertem Karbonat stammen. Während Karbonate die molekulare Ordnung der Hydratationsschichten auf den Grenzflächen erhöhen, fungieren die Radikale als Helfer beim Transfer von Protonen und erleichtern den Ladungstransfer zu Gold, wodurch die Wasserstoffentwicklung beschleunigt wird“, erklärt Zhou.

Zusätzliche Analysen, durchgeführt mittels Differentialmassenspektrometrie (DEMS), ergaben außerdem, dass diese Karbonatradikale auch als Kohlenstoffquelle für die Entstehung von Formaldehyd dienen. Die Forschung wurde durch ergänzende spektroskopische Untersuchungen an isotopenmarkierten Proben und Simulationen mithilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT) durch das Team um Prof. Nuria Lopez am ICIQ in Tarragona gestützt. Diese Analysen bestätigten, dass Wasser und nicht Bikarbonat der primäre Protonendonor ist, was eine langjährige Kontroverse in der wissenschaftlichen Literatur klärt.

Auswirkungen der Erkenntnisse auf die zukünftige Forschung

Die gewonnenen Erkenntnisse über die Prozesse an der Katalysatoroberfläche haben weitreichende Implikationen für die Forschung zur nachhaltigen Energieerzeugung. Prof. Beatriz Roldán Cuenya fasst die Bedeutung der Studie zusammen: „Diese Ergebnisse liefern auf molekularer Ebene eine neue Perspektive auf das Wechselspiel zwischen CO2​-Elektroreduktion und Wasserstoffentwicklung an Goldelektroden und drängen auf eine Neubewertung des Ursprungs der elektrokatalytischen Selektivität, die auf Materialsysteme wie Kupfer übertragen werden könnte, die komplexere Selektivitätstrends aufweisen.“ Konkret zeigt die Studie, wie Karbonatmoleküle die lokale Umgebung an der Katalysatoroberfläche gezielt beeinflussen können. Dies bietet einen wichtigen Ansatzpunkt für die Optimierung der Reaktionseffizienz und Selektivität der elektrokatalytischen CO2​-Umwandlung. Die Ergebnisse stellen somit einen notwendigen Schritt für die Entwicklung effektiverer elektrokatalytischer Systeme für zukünftige nachhaltige Energieanwendungen dar.

Quelle

Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (FHI) (11/2025)