Verdrehtes Kupfer trickst Wasserstoff bei CO2-Umwandlung aus

Die elektrochemische Umwandlung von CO2 gilt als vielversprechender Weg, um aus Kohlendioxid in Luft oder geologischen Quellen wertvolle Grundstoffe wie Kohlenmonoxid, Formiat oder Methanol herzustellen, die anschließend zu Kraftstoffen oder Kunststoffen weiterverarbeitet werden können. Ein hartnäckiges Problem bremst diesen Prozess jedoch aus: Bei der sogenannten CO2-Reduktionsreaktion entsteht als Nebenprodukt meist Wasserstoff. Diese Konkurrenzreaktion verringert die Ausbeute an den eigentlich gewünschten Kohlenstoffprodukten und macht eine aufwendige Reinigung nötig. Forscher:innen des National Laboratory of the Rockies (NLR) haben nun einen Weg gefunden, die Wasserstoffbildung gezielt zu unterdrücken.

Bild: National Laboratory of the Rockies

Eine helikale Struktur als Spinfilter

Chiralität beschreibt Strukturen, die wie die eigene Hand eine linke und eine rechte Version besitzen, welche sich nicht zur Deckung bringen lassen. Das Team um Jao van de Lagemaat stellte Kupferelektroden mit helikaler Struktur mittels Elektroabscheidung und einem chiralen Templatreagenz her. Diese gewundene Geometrie beeinflusst, wie sich der Spin der Elektronen beim Durchqueren des Materials ausrichtet. Dadurch wirkt das Kupfer wie ein Filter für die Elektronenspins, ein Effekt, der als chiralitätsinduzierte Spinselektivität (CISS) bekannt ist. Kupfer selbst ist als Katalysator für die CO2-Reduktion beliebt, weil es viele verschiedene Kohlenstoffprodukte erzeugen kann. Bisher galt jedoch gerade diese Vielfalt als Nachteil, denn sie führt zu einem schwer trennbaren Produktgemisch mit hohem Wasserstoffanteil. Mit der chiralen Struktur wollte das Team um Projektleiter Jao van de Lagemaat und Kolead Matthew Beard genau diese Selektivität in den Griff bekommen.

Wasserstoff unterdrückt, Kohlenstoffprodukte bevorzugt

Die Forscher:innen testeten die Elektroden in CO2-gesättigter Kaliumbicarbonat-Lösung. Die chiralen Kupferstrukturen zeigten eine deutlich geringere Wasserstoffentwicklung, während gleichzeitig mehr Kohlenmonoxid und Formiat entstanden. Achirale Vergleichselektroden zeigten diesen Effekt nicht. Die Erklärung liegt in der Chemie der Wasserstoffbildung selbst: Für ein Wasserstoffmolekül müssen sich zwei Elektronenspins passend paaren. Richten die chiralen Strukturen die Spins gleichsinnig aus, wird diese Paarung erschwert und die Wasserstoffbildung gebremst. Für die Bildung von Kohlenmonoxid und Formiat aus CO2 wirkt sich dieselbe Spinausrichtung dagegen günstig aus.

Spin sichtbar gemacht

Um den Zusammenhang zwischen Struktur und Spin experimentell zu belegen, entwickelte das Team eine Messmethode namens transiente Kerr-Elliptizität (TRKE). Sie misst, wie sich die Ausrichtung der Elektronenspins beim Durchgang durch die Probe verändert. Die Messungen zeigten eine Spinakkumulation an der Oberfläche der chiralen Kupferstrukturen und bestätigten damit, dass die helikale Form tatsächlich für die beobachtete Spinpolarisation verantwortlich ist.

Ein neuer Hebel für die chemische Industrie

Als fertigen Industriekatalysator sehen die Forscher:innen ihre Kupferelektrode noch nicht. Sie liefert jedoch einen Mechanismus, der künftig helfen könnte, CO2-Elektrolyseure selektiver zu machen und die Kosten für die Abtrennung unerwünschter Nebenprodukte zu senken. Das Team vermutet zudem, dass sich das Prinzip auf weitere Reaktionen übertragen lässt, etwa auf die Reduktion von Stickstoff oder Kohlenmonoxid, bei denen Wasserstoff ebenfalls eine unerwünschte Konkurrenzreaktion darstellt. Die Handedness eines Katalysators könnte damit neben Zusammensetzung und Oberflächenstruktur zu einem eigenständigen Werkzeug der Katalysatorentwicklung werden.

via National Laboratory of the Rockies