Untersuchung der CO2-Reduktionschemie durch einen elektrochemischen Modellansatz mittels Oberflächenkinetik

• Antragsteller: Professor Dr. Alec Michael Wodtke
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567052839

Der sich beschleunigende globale Klimawandel, verursacht durch die zunehmende Emission von Treibhausgasen wie CO2 aus der Nutzung fossiler Brennstoffe, erfordert eine Transformation zu einer nachhaltigen und kohlenstoffneutralen Industrie und Gesellschaft. In dieser Hinsicht hat die elektrochemische Reduktion von CO2 besonderes Interesse geweckt, da sie eine kohlenstoffneutrale Produktion von Kohlenwasserstoffen und alternativen Kraftstoffen für zukünftige Transport- und Industrieanwendungen verspricht. Bisherigen Ansätze die Ausbeute der Reaktion durch die Entwicklung neuer Katalysatoren zu erhöhen, blieben größtenteils erfolglos. Einfache Materialien auf Kupferbasis (Cu) sind derzeit die effektivsten Katalysatoren. Dieser mangelnde Erfolg deutet auf fehlendes Verständnis des zugrunde liegenden Reaktionsmechanismus der zur Reduzierung von CO2 hin. Im Gegensatz dazu hat sich das Elektrolytdesign als erfolgreichere Strategie zur Verbesserung der Leistung von Elektrolyseuren erwiesen, was Fragen zur Rolle von Kationen (normalerweise Alkali-Ionen) im katalytischen Prozess aufwirft. Das Projektvorhaben zielt darauf ab, die Wissenslücke zu schließen und die detaillierte Kinetik der CO2-Reduktion an Kupferkatalysatoren mittels modernste experimenteller und theoretischer Ansätze aufzudecken. Die Wodtke-Gruppe wird die High-Repetition-Rate Velocity-Resolved Kinetics (HRR-VRK) Technik verwenden, um die Wechselwirkung von CO, CO2 und H2O mit verschiedenen Kupfer-Einkristallen sowie mit Alkali-dotierten Kupferoberflächen zu untersuchen. Die Dotierung der Kupferkatalysatoren soll starke elektrische Felder an den Katalysatoren erzeugen und die in der Elektrochemie vorhandene elektrische Doppelschicht nachahmen. Die experimentellen Studien werden von hochmodernen quantenchemischen Simulationen der Ringe-Gruppe unterstützt, die darauf abzielen, den experimentell beobachtbaren zeitabhängigen Produktfluss zu modellieren, um so ein mikroskopisches Verständnis des zugrunde liegenden Reaktionsmechanismus zu erlangen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Südkorea
• Partnerorganisation: National Research Foundation of Korea, NRF
• Kooperationspartner: Professor Dr. Stefan Ringe