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07.07.2016

Wie das Klimagas Kohlendioxid zum Rohstoff wird


Der Traum, das Treibhausgas Kohlendioxid in eine nützliche Chemikalie zu verwandeln, ist ein Stück realistischer geworden. Bislang fehlte es den Katalysatoren aber an Effizienz. Nun entdeckte ein Forscherteam der Ruhr-Universität Bochum um Prof. Dr. Beatriz Roldan Cuenya, wie plasmabehandeltes Kupfer das CO2 hochselektiv in Ethylen umwandelt - einen wichtigen Ausgangsstoff für die chemische Industrie. Für die Studie kooperierte das Team mit der Gruppe von Prof. Dr. Peter Strasser von der TU Berlin und zwei weiteren Forscherteams in den USA.

Bislang existierende Katalysatoren für die Umwandlung von Kohlendioxid in nützliche Chemikalien waren nicht effizient genug. Ein Problem: Die Materialien besitzen keine hohe Selektivität; das heißt, sie produzieren sehr wenig Ethylen und zu viele ungewollte Nebenprodukte.

"Wir haben nun eine ganz neue Klasse von anorganischen Kupfer-Katalysatoren entwickelt, die eine praktisch perfekte Selektivität und deutlich höhere Produktionsrate an wertvollem Ethylen aufweist und zwar durch eine einfache und regulierbare Behandlung mit Gasplasma. Der Schlüssel war die molekulare Aufklärung des katalytischen Mechanismus, mit Hilfe von modernster Röngtenanalytik", erklärt Prof. Dr. Peter Strasser. Er leitet an der TU Berlin im TU-Institut für Chemie die Arbeitsgruppe "Elektrochemische Katalyse-, Energie- und Materialwissenschaften" leitet und beschäftigt sich seit Jahren mit der Erforschung effizienter wasserstoffbasierter Brennstoffzellen und Katalysatorkomponenten.

Im Mittelpunkt der Studie standen die Untersuchungen der Doktorandin Hemma Mistry vom Bochumer Institut für Experimentalphysik IV. Sie nutzte Kupferfilme als Katalysatoren, die sie zuvor mit einem Sauerstoff- oder Wasserstoffplasma behandelte. Dadurch veränderte sie die Eigenschaften der Kupferoberfläche, machte sie zum Beispiel rauer oder weniger rau und oxidierte das Material. Die Wissenschaftlerin variierte die Plasmaparameter so lange, bis sie die optimalen Oberflächeneigenschaften gefunden hatte. Neben der höheren Ethylen-Produktionsrate gegenüber herkömmlichen Kupferkatalysatoren ist die Besonderheit des neuen Materials die sehr selektive Arbeitsweise, so dass kaum unerwünschte Nebenprodukte entstehen. "Es ist ein neuer Rekord für dieses Material", resümiert Prof. Roldan Cuenya, Leiterin der Bochumer Arbeitsgruppe.

Neue Möglichkeiten für das Design von Nano-Katalysatoren

Mit Synchrotronstrahlung untersuchten die Forscher den chemischen Zustand des Kupferfilms während der Katalysereaktion. So fanden sie die Ursache für die hohe Ethylen-Selektivität. Entscheidend dafür waren einfach positiv geladener Kupferionen an der Katalysatoroberfläche.

Zuvor war man davon ausgegangen, dass Kupfer unter den Reaktionsbedingungen nur in seiner ungeladenen metallischen Form vorliegen kann. Eine Annahme, die die Forscher nun widerlegten und in zusätzlichen mikroskopischen Analysen bestätigten. "Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für das gezielte Design von Katalysatoren auf der Nanoskala mit bestimmter Aktivität und Selektivität", sagt Prof. Roldan Cuenya.

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Quelle: Technische Universität Berlin




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