Schließen des Kohlenstoffkreislaufs durch Nanotechnologie

Der zunehmende Kohlendioxidgehalt (CO2) in unserer Atmosphäre hat zu Umweltproblemen wie der globalen Erwärmung und der Versauerung der Ozeane geführt. Um diese Probleme zu bekämpfen, erforschen Forscher die Umwandlung von CO2 in hochwertige Kraftstoffe und Chemikalien mithilfe eines Prozesses namens katalytische Hydrierung von CO2. Die Verwendung von erneuerbarem Wasserstoff für die katalytische Hydrierung von CO2 ist ein praktischer Ansatz, um nicht nur die Emissionen zu reduzieren, sondern auch den Übergang zu einer nachhaltigeren Kohlenstoffwirtschaft zu ermöglichen. Die selektive Umwandlung von CO2 in wertvolle Kraftstoffe und Chemikalien stellt jedoch erhebliche Herausforderungen dar: Die hohe Stabilität von CO2 und verschiedene konkurrierende Reaktionen behindern die Produktion der gewünschten Produkte, und herkömmliche Katalysatoren weisen Einschränkungen in der Selektivität auf und neigen häufig zur Desaktivierung. Aufgrund der großen Anzahl möglicher Materialien ist die rationale Entwicklung effizienter Katalysatoren für derart komplexe Reaktionen im Allgemeinen ohne klare Anleitung durch theoretische Berechnungen nicht durchführbar. Diese Berechnungen basieren auf den Prinzipien der Quantenmechanik und erfordern leistungsstarke Supercomputer und können wertvolle Einblicke in den Reaktionsmechanismus auf molekularer Ebene liefern. Wenn dann quantenmechanische Berechnungen mit kinetischen Modellierungssimulationen kombiniert werden, ist es möglich, die katalytische Aktivität und Selektivität neuartiger Materialien vorherzusagen und Struktur-Aktivitäts-Beziehungen aufzudecken. Auf der Suche nach neuartigen Katalysatoren erregt die kürzlich entdeckte Familie zweidimensionaler (2D) Materialien namens MXene seit fast einem Jahrzehnt zunehmende Aufmerksamkeit aufgrund ihrer vielseitigen Zusammensetzung und Struktur, Stabilität unter Bedingungen, die für die heterogene Katalyse von Interesse sind und zahlreiche attraktive Eigenschaften. Ziel dieses Projekts ist es zu verstehen, wie MXene maßgeschneidert werden können, um ihre katalytische Aktivität für die selektive Umwandlung von CO2 in hochwertige Kraftstoffe und Chemikalien zu ermöglichen und zu optimieren. Um dieses hochrangige Ziel zu erreichen, müssen modernste quantenmechanische Berechnungen und kinetische Modellierungssimulationen eingesetzt werden. Unsere Studie wird ermitteln, welche Schlüsselmerkmale die Selektivität eines CO2-Hydrierungskatalysators für ein bestimmtes Produkt bestimmen. Darüber hinaus werden die erzielten Ergebnisse während der gesamten Projektlaufzeit mit experimentellen Forschern der ETH Zürich (Schweiz) diskutiert, die auf der Grundlage unserer Erkenntnisse neuartige MXene- Katalysatoren vorbereiten und testen, und wertvolle Daten und Feedback liefern. Insgesamt werden die aus diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse bei der rationellen Gestaltung und Herstellung aktiverer und selektiverer Katalysatoren für die CO2-Umwandlung helfen und den Prozess effizienter machen.

MXenes sind eine relativ neue Familie zweidimensionaler Materialien, die aus extrem dünnen Schichten von Metallen sowie Kohlenstoff oder Stickstoff bestehen. Ihre Zusammensetzung und Oberflächenchemie lassen sich auf vielfältige Weise anpassen, wodurch sie großes Potenzial für Anwendungen in der Energietechnik, der nachhaltigen Herstellung von Kraftstoffen und im Umweltschutz besitzen. Gleichzeitig erschwert diese Vielseitigkeit das Verständnis ihres Verhaltens: Dasselbe MXene kann sich je nach den Atomen auf seiner Oberfläche, der Anordnung seiner Schichten oder dem verwendeten Trägermaterial sehr unterschiedlich verhalten. In diesem Projekt wurden diese Einflüsse an molybdänbasierten MXenen mithilfe experimenteller Untersuchungen und Computersimulationen erforscht. Die erste Studie untersuchte, wie sich ein häufig verwendetes Trägermaterial, Siliziumdioxid, auf das MXene auswirkt. Die Ergebnisse zeigten, dass Siliziumdioxid strukturelle Veränderungen im MXene einschränkt und dazu beiträgt, sauerstoffhaltige Gruppen auf seiner Oberfläche zu erhalten. Dadurch verändern sich sowohl die chemischen Reaktionen als auch die entstehenden Produkte. Insbesondere bildete das geträgerte Material mehr sauerstoffhaltige Verbindungen wie Methanol und Dimethylether, während das nicht geträgerte Material hauptsächlich Kohlenwasserstoffe erzeugte. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Trägermaterial nicht nur als inaktive Unterlage dient, sondern die katalytische Leistung direkt beeinflussen kann. Die zweite Studie befasste sich mit ungewöhnlichen Molybdänatomen in der Oxidationsstufe +5, die experimentell häufig beobachtet werden, deren atomare Struktur jedoch bislang unbekannt war. Durch die Kombination moderner experimenteller Methoden mit Computersimulationen verschiedener Strukturmodelle konnten wir die wahrscheinlichste Anordnung dieser Atome bestimmen. Dadurch entsteht ein realistischeres Bild der Katalysatoroberfläche, und die Computermodelle zur Vorhersage des katalytischen Verhaltens werden verbessert. Die dritte Studie untersuchte den Abstand zwischen den gestapelten Schichten des MXenes, der darüber entscheidet, ob Moleküle die inneren Oberflächen des Materials erreichen können. Die Simulationen zeigten, dass vollständig saubere Schichten direkt zusammenfallen, während geringe Mengen an Wasserstoff die Schichtstruktur zwar erhalten, zwischen den Schichten jedoch kaum nutzbaren Raum lassen. Andere Oberflächenatome und eingeschlossenes Wasser halten die Struktur dagegen offener. Darüber hinaus entstand im Rahmen des Projekts ein Modell des maschinellen Lernens, mit dem sich deutlich größere Systeme über wesentlich längere Zeiträume simulieren lassen als bisher. Zusammen zeigen diese Ergebnisse, wie Trägermaterial, Oberflächenchemie und Schichtstruktur das Verhalten von Katalysatoren auf Basis von MXenen bestimmen. Dieses Wissen wird dazu beitragen, effizientere Katalysatoren für die Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien aus Rohstoffen wie Kohlendioxid und Wasserstoff zu entwickeln.