Katalysator aus Kupfer, Zinkoxid und Aluminiumoxid untersucht
Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Wissenschaftlern der Universität Stockholm hat erstmals die Oberfläche eines Kupfer-Zink-Katalysators bei der Reduktion von Kohlendioxid zu Methanol untersucht. Die an der Lichtquelle PETRA III des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY gewonnenen Erkenntnisse sind in Science veröffentlicht worden. Eine bessere Kenntnis des katalytischen Prozesses der Methanolsynthese und die Möglichkeit, noch effizientere Materialien zu finden, öffnet die Tür für einen grünen Wandel in der chemischen Industrie.
Chemische Formel von Methanol
Methanol ist derzeit einer der wichtigsten petrochemischen Grundstoffe mit einer Jahresproduktion von 110 Millionen Tonnen. Es kann in Zehntausende verschiedener Produkte umgewandelt und zur Herstellung von Kunststoffen, Waschmitteln, Arzneimitteln und Kraftstoffen verwendet werden. Methanol hat auch das Potenzial, ein zukünftiger Energieträger zu werden, beispielsweise durch die Herstellung von Flugkraftstoff aus abgeschiedenem Kohlendioxid und Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser. Eine zukünftige grüne Transformation der chemischen Industrie, ähnlich wie bei grünem Stahl, bei der Wind- oder Solarenergie Elektrolysezellen antreibt, ist daher eine Möglichkeit.
Die technische Herstellung von Methanol erfolgt in einem katalytischen Prozess, bei dem eine Mischung aus Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) zu Methanol (CH3OH) reagiert. Der Katalysator besteht aus einer Mischung aus Kupfer, Zinkoxid und Aluminiumoxid. Die zugrundeliegende Funktion und der chemische Zustand der Katalysatorbestandteile während der Reaktion war jedoch nie geklärt – bis jetzt.
„Die Herausforderung bestand darin, die Katalysatoroberfläche mit oberflächensensitiven Methoden unter realen Reaktionsbedingungen bei relativ hohen Drücken und Temperaturen experimentell zu untersuchen. Diese Bedingungen waren viele Jahre lang nicht erreichbar, und es gab verschiedene Hypothesen darüber, ob Zink als Oxid, metallisch oder in einer Legierung mit Kupfer vorliegt, die aber nicht eindeutig verifiziert werden konnten“, sagt Anders Nilsson, Professor für chemische Physik an der Universität Stockholm. „Es ist fantastisch, dass wir nach vielen Jahren der Anstrengung Licht in dieses komplexe Thema der Methanolbildung über Kupfer-Zink-Katalysatoren bringen konnten“, sagt Peter Amann, Erstautor der Veröffentlichung.
Die Studien wurden an der PETRA III-Beamline P22 durchgeführt, die der Untersuchung der elektronischen und atomaren Struktur von Oberflächen, Grenzflächen und Bulk-Materialien mittels Photoelektronenspektroskopie gewidmet ist. „Das Besondere ist, dass wir in Stockholm ein Instrument für die Photoelektronenspektroskopie gebaut haben, mit dem sich Katalysatoroberflächen unter hohem Druck untersuchen lassen, so dass wir direkt beobachten können, was bei der Reaktion passiert“, sagt David Degerman, Doktorand in Chemiephysik an der Universität Stockholm. „Mit unserem neuen Instrument haben wir eine neue Tür zur Katalyse geöffnet“.
„Mit unserem Instrument konnten wir nachweisen, dass Zink direkt an der Oberfläche mit Kupfer legiert ist und dadurch spezielle atomare Stellen entstehen, an denen Methanol aus Kohlendioxid gebildet wird“, sagt Chris Goodwin, Forscher im Bereich Chemiephysik an der Universität Stockholm. „Bei industriellen Prozessen wird eine kleine Menge Kohlenmonoxid beigemischt, was die Bildung von Zinkoxid aus Kohlendioxid verhindert“.
„Das innovative Spektroskopie-Instrument der Universität Stockholm in Kombination mit den Strahlparametern von PETRA III ermöglicht nun In-Operando-Experimente an Katalysatoren bei zehnmal höheren Drücken als an anderen Synchrotronlichtquellen“, sagt Christoph Schlüter, Beamline-Wissenschaftler bei DESY an P22. „Unser Stockholmer Instrument an einer der hellsten Röntgenquellen der Welt an PETRA III bei DESY in Hamburg zu haben, war entscheidend für die Durchführung der Studie“, sagt Patrick Lömker, Postdoc an der Universität Stockholm. „Wir können uns nun die Zukunft mit noch helleren Quellen vorstellen, wenn die Maschine auf PETRA IV aufgerüstet wird“.
In der Studie konnten die Forscher unterschiedliche Verhaltensweisen der Katalysatoroberfläche in Abhängigkeit vom CO- und CO2-Anteil im Gasgemisch feststellen – ein Ausgangspunkt für die Optimierung bestehender oder sogar die Suche nach neuen, besseren Katalysatoren. „Wir verfügen nun über die Mittel, um weitere Katalysatormaterialien zu erforschen, die sich besser für den grünen Übergang der chemischen Industrie eignen, die heute vollständig auf fossilen Brennstoffen basiert und für 8 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen verantwortlich ist“, sagt Anders Nilsson.
Die Studie wurde von der Universität Stockholm in Zusammenarbeit mit der Universität Innsbruck und der Technischen Universität Wien, dem DESY und dem Fritz-Haber-Institut in Berlin durchgeführt. An der Studie beteiligt waren die ehemaligen Mitarbeiter der Universität Peter Amann, Hsin-Yi Wang, Markus Soldemo, Mikhail Shiplin, Jörgen Gladh, Joakim Halldin Stenlid und Mia Börner.
->Quellen:
su.se/cientists-solve-the-mystery-about-the-active-phase-in-catalytic-carbon-dioxide-reduction
Peter Amann, Bernhard Klötzer, David Degerman, Norbert Köpfle, Thomas Götsch, Patrick Lömker, Christoph Rameshan, Kevin Ploner, Djuro Bikaljevic, Hsin-Yi Wang, Markus Soldemo, Mikhail Shipilin, Christopher M. Goodwin, Jörgen Gladh, Joakim Halldin Stenlid, Mia Börner, Christoph Schlueter and Anders Nilsson: The State of Zinc in Methanol Synthesis over a Zn/ZnO/Cu(211) Model Catalyst, in: Science – DOI:10.1126/science.abj7747