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.