Bimetallische und oberflächenfunktionalisierte Aerogele für die effiziente Elektroreduktion von CO2 zu höherwertigen Produkten

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Eychmüller
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 251453020

Durch den Wandel in Richtung einer allgemeinen, emissionsneutralen Energieproduktion, Speicherungs- und Konversionstechnologien ist es mehr und mehr bedeutend, periodisch auftretende Elektrizitätsspitzen für die elektrochemische Reduktion von CO2 in höherwertige Chemikalien (z.B. CO oder HCOO-) einzusetzen. Einher mit dem kommerziellen Erfolg des CO2-Verwertungsansatzes geht die Entwicklung von Co-Elektrolysezellen, welche im Stande sind Stromdichten von ≥ 200 mA∙cmgeom-2 zu erreichen. Im Detail sind dafür feinverteilte und hochaktive Materialien für die Katalyse der in den Zellen stattfindenden Reaktionen notwendig. Unter diesen ist die Elektroreduktion von CO2 eine besondere Herausforderung nicht nur aufgrund der mit der Reaktion einhergehenden, großen Überspannung, sondern vor allem in Bezug auf die Schwierigkeiten, die mit der Kontrolle der Produktselektivität verbunden sind. Diese Schlüsselkomponenten können durch Justierung der Adsorptionseigenschaften für die Reaktionsintermediate auf der Katalysatoroberfläche verbessert werden, z.B. durch Verschiebung der d-Banden-Lage oder durch Hinzufügen anderer Adsorbate, welche die Wechselwirkungen der Zwischenprodukte und der Oberfläche verändern. Die hier vorgestellte Arbeit erforscht beide Herangehensweise, in dem sie zum einen an der Synthese von großen Oberflächen in dreidimensionalen Nanonetzwerken (Aerogele) mit bimetallsicher Zusammensetzung (PtPd oder AuCu Legierung/Kern-Schale-Struktur) und zum anderen an der Funktionalisierung ihrer Oberfläche mit adsorbierten stickstoffhaltigen Liganden ansetzt. Eine systematische Studie, die die Effekte von verschiedenen Syntheseparametern auf die Aerogelstruktur und -oberfläche im Vergleich zum volumenausgedehnten Festkörper untersucht, wird im Folgenden beleuchten, welche dieser Parameter die Reaktivität des Gels bestimmen. Methodisch gelingt dies durch elektrochemischen Messungen, welche von operando Röntgen¬absorptions¬spektroskopie ergänzt werden. Durch die anschließende Implementierung von ausgewählten Aerogelen in einer hauseigenen Co Elektrolysezelle wird es (erstmalig) möglich sein zu prüfen, ob die beobachteten Reaktivitätstrends in den wässrigen elektrochemischen Tests (üblicherweise in diesem Gebiet verbreitet) auf die anwendungsrelevanten Co-Elektrolyseaufbauten ausgedehnt werden können. Von große Bedeutung ist es, dass die Ergebnisse schließlich die Basis zur Abschätzung einer kommerziellen Umsetzung des hier vorgestellten CO2 zu Produkt Ansatzes bilden. Bedeutend dabei sind die maximale Effizienz und die produktspezifischen Ströme (z.B. operative Spannungen und Selektivitäten), welche in diesem Gerät erreicht werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Kooperationspartner: Professor Dr. Thomas J. Schmidt