IR-Spektroskopie der CO2-Aktivierung durch Bimetallcluster

Steigende Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre fördern die Erderwärmung, eines der dringlichsten gesellschaftlichen Probleme unserer Zeit. Das häufigste Treibhausgas ist CO 2, welches hauptsächlich bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht. Die Konzentration von atmosphärischem CO 2 lässt sich konstant halten, indem CO2 zu flüssigem Kohlenwasserstoff-Brennstoff recycelt wird. Das CO 2- Molekül ist jedoch in der Gasphase sehr stabil. Um es für weitere Reaktionen mit anderen Molekülen chemisch zu aktivieren, wird ein zusätzliches Material, ein sogenannter Katalysator, benötigt. Ein Beispiel für einen solchen Prozess ist die Reaktion von CO 2 mit H2 zu Methanol, das nicht nur als Brennstoff, sondern auch als Ausgangsstoff für viele chemische Reaktionen verwendet werden kann. Die kommerzielle Methanolsynthese wird heutzutage unter Verwendung eines Cu/ZnO- Katalysators bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur durchgeführt. Trotz des hohen Energieeinsatzes, der zu noch mehr CO 2-Emissionen führt, ist die Methanolausbeute recht gering. Neue Katalysatoren werden benötigt, um die Reaktion effizienter zu machen. Leider ist der Reaktionsmechanismus selbst für aktuell verwendete Katalysatormaterialien nicht ausreichend verstanden. Um die Wechselwirkung zwischen CO 2 und einem Katalysator auf molekularer Ebene zu verstehen, ahmen wir das aktive Zentrum des Katalysators mit Hilfe von Metallclustern, also Verbindungen mehrerer Metallatome, in der Gasphase nach. Es wurde bereits gezeigt, dass die elektrische Ladung und die geometrische Struktur des Clusters eine wichtige Rolle dabei spielen. Durch umfangreiche Studien an kupferbasierten Katalysatoren zeigte sich, dass bimetallische katalytische Materialien interessantere Kandidaten für die CO 2 -Aktivierung sein könnten, als reines Kupfer. Daher werden wir in der vorgeschlagenen Forschung die Reaktion von CO 2 mit kupferbasierten Bimetallclustern untersuchen. Die beschriebene experimentelle Methode wird verwendet, um die durch Bindung an dem Cluster hervorgerufene Änderung der Geometrie des CO2 Moleküls zu untersuchen. Superfluide Helium - Nanotröpfchen bieten eine ideale Tieftemperatur-Umgebung um Cluster-CO2- Komplexe zu bilden und hochauflösende IR-Spektroskopie zu ermöglichen, welche erlaubt selbst kleinste Strukturänderungen von CO 2 nachzuweisen. Auf diese Weise koennten wir die richtige Zusammensetzung, Ladung und Größe des aktiven katalytischen Zentrums finden, die als Ausgangspunkt für das Design neuer und effizienterer Materialien für die katalytische Nutzung von CO 2 dienen könnte.

Steigende Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre fördern die Erderwärmung, eines der dringlichsten gesellschaftlichen Probleme unserer Zeit. Das häufigste Treibhausgas ist CO2, welches hauptsächlich bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht. Die Konzentration von atmosphärischem CO2 lässt sich konstant halten, indem CO2 zu flüssigem Kohlenwasserstoff-Brennstoff recycelt wird. Das CO2-Molekül ist jedoch in der Gasphase sehr stabil. Um es für weitere Reaktionen mit anderen Molekülen chemisch zu aktivieren, wird ein zusätzliches Material, ein sogenannter Katalysator, benötigt. Ein Beispiel für einen solchen Prozess ist die Reaktion von CO2 mit H2 zu Methanol, das nicht nur als Brennstoff, sondern auch als Ausgangsstoff für viele chemische Reaktionen verwendet werden kann. Die kommerzielle Methanolsynthese wird heutzutage unter Verwendung eines Cu/ZnO-Katalysators bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur durchgeführt. Trotz des hohen Energieeinsatzes, der zu noch mehr CO2-Emissionen führt, ist die Methanolausbeute recht gering. Neue Katalysatoren werden benötigt, um die Reaktion effizienter zu machen. Leider ist der Reaktionsmechanismus selbst für aktuell verwendete Katalysatormaterialien nicht ausreichend verstanden. Um die Wechselwirkung zwischen CO2 und einem Katalysator auf molekularer Ebene zu verstehen, ahmen wir das aktive Zentrum des Katalysators mit Hilfe von Metallclustern, also Verbindungen mehrerer Metallatome, in der Gasphase nach. Es wurde bereits gezeigt, dass die Zusammensetzung, die elektrische Ladung und die geometrische Struktur des Clusters eine wichtige Rolle dabei spielen. In diesem Sinne begannen wir die Evaluierung des Mechanismus der Clusterbildung in mehrfach geladenen superfluiden Heliumnanotröpfchen, um volle Kontrolle über den Formationsprozess zu haben. Im nächsten Schritt untersuchten wir die Eigenschaften der mit dieser Methode gebildeten Kupfercluster. Kupfer wurde als Modellsystem gewählt, da es eines der meistversprechendsten katalytischen Materialien für Methanol Synthese ist und es als aktives Zentrum in industriell verwendeten Katalysatoren verstanden wird. Die ursprünglich vorgesehenen Messungen konnten nicht durchgeführt werden, da die Absorption der mit CO2 gebildeten Komplexe im infraroten Wellenlängenbereich unterhalb der Detektionsgrenze lag. Stattdessen verwendeten wir den verfügbaren Laser um Cluster astronomisch relevanter Moleküle, wie C70 und verschiedene polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, zu untersuchen. Als wir jedoch die Möglichkeit bekamen einen Laser zu verwenden, der Licht bei kürzeren Wellenlängen emittiert, konnten wir die stärkste CO2 Vibration messen und die Änderung der geometrischen Struktur von CO2 als Funktion der Größe der angelagerten Kupfercluster untersuchen.