Kohlendioxid leichter als Rohstoff nutzen

Nickel- und stickstoff-co-dotierte Kohlenstoff­katalysatoren (Ni-N-C) haben außer­gewöhnliche Leistungen bei der Umwandlung von CO₂ in CO, einem wertvollen chemischen Rohstoff, gezeigt. Der genaue Wirk­mechanismus dieser Kata­lysatoren blieb jedoch bis jetzt unklar. Forschenden am Fritz-Haber-Institut in Berlin gelangen nun direkte experi­mentelle Einblicke in die Natur der Adsorbate, die sich an den Nickelstellen bilden, und die sich entwickelnde Struktur der aktiven Stellen während der CO₂-Reduktions­reaktion (CO₂RR). Die Forschung, geleitet von Janis Timoshenko und Beatriz Roldán Cuenya, stellt einen bedeutenden Fortschritt auf der Suche nach nachhaltigen und effizienten CO₂-Umwandlungs­technologien dar, die darauf abzielen, den künstlichen Kohlenstoffkreislauf zu schließen.

Das Forschungsteam nutzte Techniken wie die Röntgenabsorptions­spektroskopie (XAS) und die Valenz-zu-Kern-Röntgenemissions­spektroskopie (vtc-XES), um die Katalysatoren in Aktion zu beobachten. Diese Methoden, kombiniert mit maschinellem Lernen und der Dichte­funktional­theorie, ermöglichten es dem Team, die lokale atomare und elektronische Struktur der Katalysatoren in beispiel­loser Detailgenauigkeit zu kartieren. 

Zu verstehen, wie nickel­basierte Katalysatoren auf atomarer Ebene mit CO₂ interagieren, ist entscheidend für ihr Design, um ihre Effizienz und Selektivität zu verbessern. Dieses Wissen kann zur Entwicklung effektiverer und lang­lebigerer Katalysatoren führen, wodurch der CO₂-Reduktions­prozess für industrielle Anwendungen anwendbarer wird. Das ebnet den Weg, um CO₂  in wertvolle Ressourcen wie Kohlenmonoxid umzuwandeln, das in verschiedenen industriellen Prozessen verwendet werden kann. Ein Beispiel ist die Kombination mit grünem Wasserstoff für die Synthese höherer Kohlenwasserstoffe. 

Die neue Studie lässt leichter verstehen, wie CO₂ mit Nickel­katalysatoren interagiert und wie die gewünschten Produkte effizienter erzeugt werden könnten. Sie verbessert nicht nur das Verständnis von nickel­basierten Katalysatoren, sondern ermöglicht auch Fortschritte in CO₂  -Reduktions­technologien.

FHI / JOL