Tailoring Ag–Cu Thin Film Catalysts by Physical Vapor Deposition for Selective CO₂ Electroreduction

Die Atmosphäre ist erfüllt von Kohlendioxid, einem Gas, das Wärme speichert und den Klimawandel vorantreibt. Während die Natur seit langem darauf angewiesen ist, dass Pflanzen dieses Gas aus der Luft ziehen, erforschen Wissenschaftler einen Weg, dies mit Elektrizität zu tun. Dieser Prozess, bekannt als elektrochemische Reduktion, nutzt erneuerbare Energien, um Kohlendioxid dazu zu zwingen, mit Wasser zu reagieren, wodurch ein Abfallprodukt in nützliche Brennstoffe oder Chemikalien umgewandelt wird. Die Herausforderung liegt in der Chemie: Kohlendioxid ist ein sehr stabiles Molekül, das Widerstand gegen Veränderungen zeigt, und wenn Forscher versuchen, es aufzuspalten, entsteht oft ein ungeordnetes Gemisch verschiedener Substanzen oder es wird einfach nur Wasserstoffgas anstelle des gewünschten Brennstoffs erzeugt. Um dies zu lösen, benötigen Wissenschaftler spezielle Materialien, sogenannte Katalysatoren, die die Reaktion so steuern können, dass genau das entsteht, was sie wollen – wie etwa Kohlenmonoxid, eine Schlüsselkomponente für die Herstellung synthetischer Brennstoffe –, ohne Energie durch unerwünschte Nebenreaktionen zu verschwenden.

In einer aktuellen Studie untersuchten Forscher des National Research Council in Italien und der Universität Milano-Bicocca dieses Problem, indem sie einen neuen Typus von Katalysator unter Verwendung zweier gewöhnlicher Metalle entwarfen: Silber und Kupfer. Sie wollten sehen, ob sie diese Metalle in einer dünnen Schicht kombinieren könnten, um das Beste aus beiden Welten zu erhalten. Silber ist dafür bekannt, gut darin zu sein, Kohlenmonoxid herzustellen, während Kupfer berühmt für seine Fähigkeit ist, Kohlenstoffatome miteinander zu verbinden, obwohl es oft zu viele verschiedene Produkte gleichzeitig erzeugt. Das Team nutzte eine Technik namens physikalische Gasphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition), was im Wesentlichen eine Methode ist, um Metallatome in einem Vakuum auf eine Oberfläche aufzusprühen, um ein Stück Kohlenstoffgewebe mit diesen Metallen zu beschichten. Durch die sorgfältige Kontrolle darüber, wie viel von jedem Metall gesprüht wurde und wie schnell dies geschah, erstellten sie eine Reihe von Dünnschichten mit unterschiedlichen Verhältnissen von Silber zu Kupfer. Ihr Ziel war es, das perfekte Gleichgewicht zu finden, bei dem das Material hochselektiv wäre, also hauptsächlich Kohlenmonoxid produziert und gleichzeitig die Produktion von Wasserstoffgas auf ein Minimum reduziert.

Die Forscher begannen damit, zu testen, wie sich die Menge des abgeschiedenen Metalls auf die Form und Leistung des Katalysators auswirkt. Sie sprühten die Metalle für eine feste Zeit auf das Kohlenstoffgewebe, variierten jedoch den elektrischen Strom, der den Prozess antreibt. Sie fanden heraus, dass die Verwendung eines niedrigeren Stroms kleinere, verstreute Metallpartikel erzeugte, während ein höherer Strom zu größeren Klumpen führte, die einen größeren Teil der Oberfläche bedeckten. Überraschenderweise schnitten die Proben mit der schwersten Metallbeladung nicht am besten ab. Stattdessen boten die Katalysatoren mit einer moderaten Menge an Metall, die bei einem niedrigeren Strom abgeschieden worden waren, ein besseres Gleichgewicht. Diese Proben verfügten über genügend Oberflächenbereich, damit die Reaktion stattfinden konnte, vermieden aber die Überfüllung, die offenbar die aktiven Zentren blockierte, die für die chemische Transformation benötigt werden. Dies deutet darauf hin, dass das bloße Hinzufügen von mehr Metall nicht die Lösung war; die Anordnung und Zugänglichkeit der Metallatome waren weita viel wichtiger.

Als Nächstes konzentrierte sich das Team auf das Verhältnis von Silber zu Kupfer und testete Mischungen, bei denen Silber 75 Prozent, 50 Prozent oder 25 Prozent des Metallgehalts ausmachte. Sie entdeckten, dass die Zusammensetzung des Films einen direkten Einfluss darauf hatte, was der Katalysator produzierte. Die Proben, die reich an Kupfer waren, tendierten dazu, mehr Wasserstoffgas zu erzeugen, eine konkurrierende Reaktion, die Energie verschwendet. Im Gegensatz dazu waren die Proben mit mehr Silber viel besser darin, die Reaktion in Richtung Kohlenmonoxid zu lenken. Der erfolgreichste Katalysator war eine Schicht, die aus 75 Prozent Silber und 25 Prozent Kupfer bestand. Diese spezifische Mischung erreichte eine Umsatzrate von 47 Prozent für Kohlenmonoxid, was bedeutet, dass fast die Hälfte des in das System fließenden elektrischen Stroms genutzt wurde, um das gewünschte Gas herzustellen. Diese Leistung war vergleichbar mit einem Katalysator aus reinem Silber, was demonstrierte, dass das bimetallische System die Effizienz des reinen Metalls erreichen kann, während es gleichzeitig eine abstimmbare Plattform zur Optimierung bietet.

Während der gesamten Experimente nutzten die Forscher leistungsstarke Mikroskope und Röntgenwerkzeuge, um die Katalysatoren genau zu untersuchen. Sie bestätigten, dass die Silber- und Kupferatome gleichmäßig über das Kohlenstoffgewebe verteilt waren und eine einheitliche Schicht bildeten, anstatt separate Metallinseln zu bilden. Sie beobachteten auch, dass die Metallatome eine spezifische Art von Legierungsstruktur bildeten, bei der die beiden Metalle auf atomarer Ebene vermischt waren. Um die Stabilität dieser Struktur zu testen, führten sie ein separates Experiment durch, bei dem sie eine Probe erhitzten; sie fanden heraus, dass die Legierung in reines Silber und reines Kupfer zerfiel und die Leistung signifikant sank. Dies bestätigte, dass der gemischte Zustand der Metalle entscheidend für die gute Funktion des Katalysators war, da die getrennten Phasen weniger aktiv waren. Die Studie untersuchte auch andere mögliche Produkte, wie etwa flüssige Säuren oder Alkohole, fand jedoch nur Spuren, was darauf hindeutet, dass die Reaktion sehr gezielt auf die Produktion von Kohlenmonoxid und Wasserstoff ausgerichtet war.

Die Arbeit zeigt, dass es möglich ist, hocheffektive Katalysatoren zu schaffen, indem man die Zusammensetzung und die Anwendungsmethode sorgfältig abstimmt. Die Forscher zeigten, dass die Verwendung der physikalischen Gasphasenabscheidung eine präzise Kontrolle über die Metallbeladung und das Verhältnis der Elemente ermöglicht, was zu Materialien führt, die sowohl effizient als auch wirtschaftlich sind. Obwohl die aktuellen Ergebnisse vielversprechend sind, merken die Autoren an, dass es noch Raum für Verbesserungen gibt. Faktoren wie der Druck des Kohlendioxidgases und der spezifische Aufbau der Reaktionszelle könnten die Leistung weiter steigern. Für den Moment bietet die Studie einen klaren Weg nach vorn und beweist, dass eine einfache, kontrollierte Mischung aus Silber und Kupfer als robuste Plattform dienen kann, um Kohlendioxid in einen wertvollen chemischen Baustein umzuwandeln.