Mechanistisches Verständnis der druckabhängigen CO2-Hydrierung über Indiumoxid-Katalysatoren mittels neuer operando-Methoden und transienter Spektroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Hess
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525994691

Es ist von größter Dringlichkeit, der globalen Erderwärmung entgegenzuwirken und erzeugtes CO2 dauerhaft in einen geschlossenen CO2-Kreislauf aufzunehmen, so dass die Emission von zusätzlichem CO2 signifikant verringert bzw. idealerweise vollständig unterbunden wird. Neben anderen Maßnahmen stellt insbesondere die katalytische Umwandlung von CO2 zu Methanol unter Verwendung von regenerativem H2 einen nachhaltigen Ansatz zur Reduktion von CO2-Emissionen und der Abhängigkeit von fossilen Energieträgern dar und eröffnet zudem die Möglichkeit der Langzeitspeicherung von Strom aus erneuerbaren Quellen. Indiumoxide haben sich als vielversprechende Katalysatoren für die CO2-Aktivierung herausgestellt, aber ein fundamentales Verständnis ihrer Funktionsweise (Struktur-Wirkungs-Beziehungen) in der technisch relevanten CO2-Hydrierung steht noch aus und behindert deren Weiterentwicklung. Ziel des geplanten Projektes ist es, unter Verwendung von optischer und Impedanz-Spektroskopie unter Arbeitsbedingungen, grundlegend neue Einblicke in die Funktionsweise von Indiumoxid-Katalysatoren in CO2-Hydrierungen zu erhalten. In diesem Zusammenhang soll neben der reversen Wassergas-Shift-Reaktion (rWGSR) bei Atmosphärendruck v.a. auch die Druckabhängigkeit der CO2-Hydrierung und ihr Einfluss auf die Methanol-Bildung untersucht werden. Zudem soll der Einfluss von Edelmetallen (Au, Cu) auf die katalytischen Eigenschaften ausgelotet werden. Methodisch liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung und Anwendung geeigneter operando-Methoden (IR-, Raman-, UV-Vis-, Impedanz-Spektroskopie) sowie der Anwendung transienter IR-Spektroskopie, welche auch unter erhöhtem Druck (~30 bar) angewendet werden können. Die Charakterisierung der Indiumoxid-Katalysatoren wird durch weitere Methoden wie die in situ-Röntgenbeugung und die in situ-Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie unterstützt sowie von DFT-Rechnungen begleitet. Neben der methodischen Entwicklung liegt ein Schwerpunkt des Projektes auf der Analyse der Indiumoxid-Struktur(en) unter Arbeitsbedingungen sowie deren Korrelation mir den katalytischen Eigenschaften (Aktivität, Selektivität, Stabilität). Es soll insbesondere die noch weitgehend unverstandene Oberflächenchemie inklusive der Defektdynamik untersucht werden, und geklärt werden, inwieweit sich das Verhalten in Abhängigkeit von der Temperatur und des Druckes verändert. In diesem Zusammenhang bietet sich aufgrund ihrer intrinsischen Spezifität einerseits die transiente IR-Spektroskopie, andererseits aufgrund ihrer Empfindlichkeit auf Defekte die Raman-, UV-Vis- und Impedanz-Spektroskopie an, deren Kombination unter Reaktionsbedingungen grundlegend neue mechanistische Erkenntnisse erwarten lässt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Spanien
• Großgeräte: Gaschromatograph
• Gerätegruppe: 1340 Gaschromatographen (außer GC-MS-Kopplung)
• Kooperationspartnerin: Dr. Maria Veronica Ganduglia-Pirovano