Innovative Katalysatoren steigern Methanolproduktion aus CO2-Hydrierung durch Kupfernanopartikel in porösem Silikat

BerlinWissenschaftler am Tokyo Tech haben herausgefunden, dass die Platzierung von Kupfer-Nanopartikeln in wasserabweisenden porösen Silikatkristallen die Effektivität von Kupfer-Zinkoxid-Katalysatoren bei der Methanolherstellung steigern kann. Diese Anordnung verhindert das Zusammenklumpen der Kupferpartikel bei Hitze, was zu einer besseren Hydrierung und einer erhöhten Methanolproduktion führt. Diese Methode macht die Methanolsynthese aus CO2 effizienter.

CO2-Emissionen tragen erheblich zur globalen Erwärmung bei, daher ist es dringend notwendig, diese zu reduzieren. Methanol ist ein nützlicher und kostengünstiger Treibstoff und stellt eine gute Alternative zu herkömmlichen Kraftstoffen dar. Die Herstellung von Methanol durch Umwandlung von CO2 mit Wasserstoff ist eine vielversprechende Methode unter den Technologien zur CO2-Abscheidung und -Nutzung.

Niedrigere Temperaturen sind vorteilhaft für die Methanolherstellung, da die Reaktion Wärme freisetzt. Katalysatoren aus Kupfer und Zinkoxid (Cu-ZnO) sind dafür besonders geeignet. Sie fördern die Umwandlung von CO2 in Formiat-Zwischenprodukte, was die Methanolproduktion steigert. Eine größere Oberfläche, an der Kupfer und Zinkoxid zusammentreffen, erhöht die Produktion. Dies kann durch eine breitere Verteilung der Kupferpartikel erreicht werden. Allerdings sind Kupferpartikel bei hohen Temperaturen instabil und neigen dazu, während der Vorbereitung und Reaktion zusammenzuklumpen, was die Oberfläche verringert. Das als Nebenprodukt produzierte Wasser verstärkt das Zusammenklumpen von Kupfer und verlangsamt die Formiatbildung.

Forscher unter der Leitung von Professor Teruoki Tago am Tokyo Institute of Technology haben neuartige Cu-ZnO-Katalysatoren in Silicalite-1 (S-1) entwickelt. In ihrer Studie betonten sie mehrere bedeutende Erkenntnisse.

• Die Einkapselung von Metallen in porösen Trägern verringert die thermische Aggregation.
• Mit S-1 verkapselte Cu-ZnO-Katalysatoren zeigen eine verbesserte Methanolproduktion.
• Es wurden zwei Arten von Katalysatoren hergestellt: Cu/S-1 und Cu@S-1.
• Cu@S-1 wurde unter Verwendung eines Cu-Phyllosilikat-Pulvers (CuPS) hergestellt.

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Neue Erkenntnisse: Dynamik individueller und kollektiver Überzeugungen

Die Forscher entwickelten zwei Arten von Katalysatoren. Der erste, genannt Cu/S-1, beinhaltete das Hinzufügen von Kupfer zu einem wasserabweisenden Material namens S-1. Der zweite Katalysator, Cu@S-1 genannt, wurde unter Verwendung eines kupferbasierten Pulvers hergestellt, das half, Kupferpartikel in die S-1-Struktur einzubetten. Um Cu@S-1 herzustellen, lösten sie das Kupferpulver auf, wobei die Auflösungszeit die Größe der Kupferpartikel beeinflusste. Als sie die optimale Auflösungszeit gefunden hatten, wies der Katalysator Kupferpartikel von etwa 2,4 Nanometern Größe innerhalb des S-1 auf.

Der Katalysator Cu@S-1 zeigte eine höhere Wasserstoffierungsaktivität und Methanolproduktion als Cu/S-1. Um die Methanolproduktion weiter zu steigern, wurde ZnO durch Imprägnierung zu Cu@S-1 hinzugefügt, wodurch der ZnO/Cu@S-1-Katalysator mit feinen Cu-Partikeln entstand. Dieser neue Katalysator wies eine noch höhere Aktivität auf, was auf die Bildung einer Cu-ZnO-Schnittstelle hinwies.

Die S-1-Struktur verhindert, dass sich Kupferpartikel bei Erwärmung verklumpen. Zudem entfernt sie schnell das während der Reaktionen in der Nähe der Cu-ZnO-Grenzfläche gebildete Wasser, was die Methanolproduktion verbessert.

Die Untersuchung wurde am 21. Februar 2024 online veröffentlicht und erschien am 1. April 2024 in Band 485 des Chemical Engineering Journal. Das Projekt wurde durch das Horizon2020-Programm der EU und die Japanische Wissenschafts- und Technologieagentur im Rahmen des SCICORP (Laurelin-Projekt) finanziert. Die Forscher stellten fest, dass die neue Methode zur Herstellung von Katalysatoren sehr effektiv ist und großes Potenzial für die effiziente Produktion von Methanol aus CO2 zeigt.