Confinement-Effekte bei der CO2-Elektroreduktion - mechanistische Untersuchungen an oberflächenaktiven, porösen Cu-Elektroden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Holger Dau; Professorin Dr.-Ing. Christina Roth
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495717797

Die elektrochemische Umwandlung von CO2 (CO2RR) in chemische Ausgangsstoffe bietet nicht nur die Möglichkeit eines CO2-neutralen Stoffkreislaufs, sondern auch einen nachhaltigen Syntheseweg zu industriell benötigten Grund-/Wertchemikalien. Die Kontrolle der Selektivität hin zu Multi-Kohlenstoff-Produkten und die Unterdrückung der Wasserstoffentwicklung bleibt eine große wissenschaftliche Herausforderung. Kupfer nimmt als Katalysator für die CO2RR eine besondere Stellung ein, da es Kohlenwasserstoffe mit erheblicher Effizienz erzeugen kann. Hier nutzen wir den Confinement-Effekt maßgeschneiderter poröser 3D-Cu-Strukturen, um die Selektivität gegenüber Multi-Kohlenstoff-Produkten zu optimieren. Die Elektroden werden durch eine einfache Wasserstoffblasen-templatierte Elektroabscheidung hergestellt, um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zwischen poröser Katalysatorstruktur und CO2RR-Aktivität herzustellen. Tenside werden eingesetzt, um die Porengröße, Größenverteilung und Morphologie anzupassen. Der sog. Confinement-Effekt kann die C-C-Kopplung der niederen Reaktionszwischenprodukte oder -produkte zu C2- oder höheren Kohlenwasserstoffen/Sauerstoffverbindungen unterstützen, was jedoch nur unzureichend verstanden ist. Angepasste physikalische Methoden zur Untersuchung unter Betriebsbedingungen (Operando-Raman- & Röntgenspektroskopie & Videomikroskopie) zusammen mit elektrochemischer Charakterisierung und Bestimmung des CO2RR-Produktspektrums können den Weg zum Verständnis des Confinements auf einem noch nie dagewesenen Niveau ebnen. Die Schlüsselelemente des Arbeitsprogramms sind: 1) Templatierte Abscheidung zur Herstellung einer Vielfalt von 3D-hierarchischen Porenmorphologien (Mikrometerporen) von Cu-Katalysatoren durch Kontrolle der Wasserstoffblasengröße (Abbruchdurchmesser der Blase) mittels Syntheseparametern und Tensiden. 2) Etablierung von Strukturparametern und quantitativen Morphologie-Deskriptoren für Mikrometerporen und nanoporöse Bereiche. 3) Identifizierung von Korrelationen zwischen Porositätsmerkmalen und Produktspektrum, indem quantitative Morphologie-Deskriptoren und das Produktspektrum aus der analytischen Chemie in Beziehung gesetzt werden. Dieses Projekt kombiniert die beträchtliche Expertise der beiden Gruppen in der elektrochemischen (Synthese & Charakterisierung) und operando-spektroskopischen Untersuchung, um die Faktoren zu verstehen, die für die Selektivität und Aktivität von hierarchisch porösen bimetallischen Katalysatoren gegenüber CO2RR entscheidend sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen