Wie Karbonate die Umwandlung von CO2 in Kraftstoff beeinflussen

Ein Forschungsteam vom Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) und dem Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (FHI) hat herausgefunden, wie Karbonatmoleküle die Umwandlung von CO₂ in nützliche Kraftstoffe durch Gold-Elektrokatalysatoren beeinflussen. Ihre Studie beleuchtet, welche molekularen Mechanismen bei der CO₂-Elektrokatalyse und der Wasserstoffentwicklung eine Rolle spielen und zeigt Strategien zur Verbesserung der Energieeffizienz und der Selektivität der katalytischen Reaktion auf.

Die Umwandlung von atmosphärischem CO₂ in Brennstoffe mittels Elektrokatalyse bietet eine Alternative zur Nutzung von fossilen Ressourcen, ist aber nach wie vor ineffizient und kostspielig. Gleichzeitig ablaufende, konkurrierende Reaktionen wie die Wasserstoffentwicklung schränken die Selektivität der elektrokatalytischen CO₂-Umwandlung ein. Der Schlüssel zur Verbesserung der Reaktionseffizienz liegt an der Katalysatoroberfläche: Hydratationsschichten, die durch Wasser und andere Moleküle gebildet werden, regulieren, wie effizient diese chemischen Umwandlungen ablaufen. „Die Rolle von Karbonatanionen und die Beschaffenheit der Hydratationsschichten während der CO₂-Elektroreduktion sind jedoch noch weitgehend unverstanden“, sagt Dr. Christopher Kley, Helmholtz-Nachwuchsgruppenleiter am HZB und in der Abteilung Grenzflächenwissenschaft am FHI.

Die Rolle von Karbonaten und ihren Radikalen

Um die Prozesse auf der Katalysatoroberfläche und die Rolle der Hydratationsschichten besser zu verstehen, setzte Dr. Ya-Wei Zhou, Mitglied von Kleys Team, komplexe spektroskopische Techniken ein, darunter die oberflächenverstärkte Infrarot-Absorptionsspektroskopie mit abgeschwächter Totalreflexion (ATR-SEIRAS). „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, Erstautor der Studie. Weitere Analysen mittels Differentialmassenspektrometrie (DEMS) ergaben, dass Karbonatradikale auch als Kohlenstoffquelle für die Entstehung von Formaldehyd dienen. Ergänzende spektroskopische Untersuchungen an isotopenmarkierten Proben und Simulationen mithilfe von Dichtefunktionaltheorie (DFT) durch das Team um Prof. Nuria Lopez am ICIQ in Tarragona (Spanien) bestätigten, dass Wasser und nicht Bikarbonat der primäre Protonendonor ist, was eine langjährige Kontroverse in der Literatur klärt.

Auswirkungen auf zukünftige Forschung

„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“, sagt Prof. Beatriz Roldán Cuenya vom FHI. Die Studie zeigt, wie Karbonatmoleküle die lokale Umgebung an der Katalysatoroberfläche beeinflussen, und bietet so einen Ansatzpunkt für die Optimierung der Reaktionseffizienz und Selektivität der elektrokatalytischen CO₂-Umwandlung – ein notwendiger Schritt für die Entwicklung effektiverer elektrokatalytischer Systeme für nachhaltige Energieanwendungen.

Kurzgefasst:

• Karbonatmoleküle restrukturieren Wasserschichten auf der Oberfläche von Gold-Katalysatoren und beeinflussen so direkt die Umwandlung  von CO₂.
• Karbonatradikale dienen als Helfer beim Transfer von Protonen und auch als Kohlenstoffquelle für die Bildung von Aldehyden.
• Wasser wird als primärer Protonendonor für die Elektroreduktion von CO₂ und die Wasserstoffentwicklung bestätigt.