Mechanistische Einblicke in die Kohlendioxid Aktivierung und Nutzung

15.11.2022 von

Marc Ziemba aus dem AK Hess hat im Rahmen seiner Doktorarbeit zusammen mit Dr. Mariusz Radtke und Leon Schumacher eine neue operando-Methodik zur Mechanismusaufklärung entwickelt.

Die Nutzung von atmosphärischem oder lokal emittiertem CO2 als Rohstoff für die Herstellung von Chemikalien und Kraftstoffen stellt eine wichtige Strategie zur Verringerung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre dar. Die Aktivierung und Umwandlung von dem sehr reaktionsträgen CO2 kann mittels geeigneter Katalysatoren z.B. auf Basis von Indiumoxid ermöglicht werden. Dabei stellt insbesondere die Hydrierung von CO2 unter Verwendung von regenerativem Wasserstoff (H2) einen nachhaltigen Ansatz zur Reduktion von CO2-Emissionen und der Abhängigkeit von fossilen Energieträgern dar. So ist beispielsweise die CO2-Hydrierung zu Kohlenmonoxid (CO) und Wasser für den Energiesektor von großer Bedeutung, da CO2 in CO umgewandelt wird, aus dem durch CO-Hydrierung flüssige Kraftstoffe gewonnen werden können. Trotz ihres Potentials ist die Wirkungsweise von heterogenen Katalysatoren in der CO2-Aktivierung noch zu großen Teilen unverstanden. Neue mechanistische Einblicke in die Wirkungsweise von Indiumoxid-Katalysatoren während der CO2-Umsetzung konnten jetzt von Marc Ziemba, Mariusz Radtke, Leon Schumacher und Christian Hess mittels neuer operando-Methodik erhalten werden.

Für die mechanistischen Untersuchungen an nanopartikulärem Indiumoxid wurden verschiedene Arten der operando-Spektroskopie angewandt. Mit Hilfe der operando-Spektroskopie kann man dem Katalysator bei der Arbeit zuschauen (operare (lat.) = arbeiten) und auf diese Weise direkte Einblicke in seine Wirkungsweise erhalten. Insbesondere die Methode der operando-Impedanzspektroskopie wurde für diese Untersuchungen neu entwickelt und ist in dem Kontext der heterogenen Katalyse überhaupt zum ersten Mal zum Einsatz gekommen. Zentrale Ergebnisse der Forschungsarbeiten sind die spektroskopische „Sichtbarmachung“ der CO2-Aktivierung und deren Identifizierung als geschwindigkeitsbestimmender Schritt der CO2-Hydrierung. Zudem wird neben der Bereitschaft der Oberfläche für die Reduktion durch Wasserstoff und die Oxidation durch CO2 auch die Beteiligung der unter der Oberfläche liegenden Schichten an der Reaktion nachgewiesen. Zukünftige Forschungsaktivitäten adressieren die für die Katalyse wesentliche Oberfächenchemie und den Einsatz von Indiumoxid-Katalysatoren für die gezielte CO2-Hydrierung zu Methanol, einem wichtigen Ausgangsstoff der chemischen Industrie und Treibstoff.