Neue Erkenntnisse zur CO2 Hydrierung: Gezielte Verschiebung der Selektivität zu Alkoholen durch die Untersuchung von bimetallischen Ni-Fe Katalysatoren
Analytische Chemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Umwandlung des Treibhausgases CO2 in Mehrwertprodukte wie Chemikalien und Kraftstoffe ist ein vielversprechender Ansatz, um die steigende atmosphärische CO2-Konzentration und den damit einhergehenden Klimawandel zu bekämpfen. Hierbei kann die thermokatalytische CO2- Hydrierung mittels unedlen, gut verfügbaren, kostengünstigen Metallen einen großen Fortschritt darstellen. Für die Umwandlung von CO2 in Methan haben sich Ni-basierte Katalysatoren aufgrund ihrer hohen Aktivität und Selektivität bewährt. Für andere Mehrwertprodukte ist der optimale Katalysator allerdings noch nicht gefunden. Eine wichtige Strategie, um die Selektivität und Aktivität einer katalytischen Reaktion zu justieren ist die synergistische Kombination zweier Metalle, wobei die Selektivität des einen und die Aktivität des anderen genutzt wird. Bei bi-metallischen Katalysatoren wird die verbesserte Leistung häufig der Legierungsbildung zugeschrieben, obwohl noch unklar ist wie die beiden Metalle wechselwirken und die katalytische Leistung steigern. Das Konzept der synergistischen Kombination zweier Metalle kann ebenso auf tri-metallische Systeme übertragen werden. Folglich stellt die Zugabe von Fe oder/und Cu zum gut untersuchten Ni/SiO2-System einen vielversprechenden Ansatz zum Justieren der Selektivität der CO2-Hydrierung dar. Mit zunehmender Komplexität des katalytischen Systems wird die Anwendung geeigneter operando Charakterisierungstechniken jedoch stets wichtiger, um Einblicke in Struktur-Zusammensetzung-Leistungskorrelationen zu gewinnen. In diesem Projekt wurden kleine (< 2 nm), hoch dispergierte Nanopartikel auf SiO2 durch eine optimierte Synthese aufgebracht. Der vielseitige operando Charakterisierungsansatz ermöglichte neue Einblicke in die bi- und tri-metallischen Ni-Fe, Ni-Cu, Ni-Cu-Fe Systeme und deren monometallischen Gegenstücke. Im ersten Teil des Projektes wurde ein Setup für operando laborbasierte Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) entwickelt und sowohl metall- als auch metallverhältnisabhängige Unterschiede in der Reduzierbarkeit und Leistung der multimetallischen Katalysatoren identifiziert. Die synergistischen Effekte zwischen den Metallen schieben die Selektivität der CO2-Hydrierung von Methan zu CO, einem wichtigen Intermediat für die Bildung von C2+-Produkten. Die neue Möglichkeit operando XAS im Labor durchzuführen erweitert das Anwendungsfeld auf eine breite Forschungsgemeinschaft. Im zweiten Teil des Projektes, war die Kombination von operando Infrarotspektroskopie, (quick-)XAS, und Hochdruck-Röntgenphotoelektronenspektroskopie ein starkes Werkzeug, um synergistische Effekte in multimetallischen Katalysatoren zu verstehen, was essenziell für ein rationales Design von Katalysatoren der nächsten Generation ist. Neben der Partikelgröße wurden die Reduzierbarkeit, der Grad der Reduktion und Reoxidation, die Oberflächenchemie und -C-Spezies, das dynamische Verhalten, und die katalytische Leistung als metall- und metallverhältnisabhängig identifiziert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A Collaboration for Guiding the Rational Design of Multielement Solid Catalysts. Angewandte Chemie International Edition, 62(7).
N.S., Genz et al.
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Operando Laboratory‐Based Multi‐Edge X‐Ray Absorption Near‐Edge Spectroscopy of Solid Catalysts. Angewandte Chemie International Edition, 61(48).
Genz, Nina S.; Kallio, Antti‐Jussi; Oord, Ramon; Krumeich, Frank; Pokle, Anuj; Prytz, Øystein; Olsbye, Unni; Meirer, Florian; Huotari, Simo & Weckhuysen, Bert M.
