© FHI neuer Weg in der Grünen Chemie
Innovative Studie vom Fritz-Haber-Institut enthüllt neuen Weg in der Grünen Chemie
Eine kürzlich in Nature Communications veröffentlichte Studie von Forschenden der Abteilung Interface Science am Fritz-Haber-Institut stellt einen neuen Fortschritt im Kampf gegen den Klimawandel vor. Ihre Studie, „Reversible metal cluster formation on Nitrogen-doped carbon controlling electrocatalyst particle size with subnanometer accuracy", präsentiert eine neuartige Methode zum Verständnis der Mechanismen der Kohlendioxid (CO2)-Reutilisierung, die zu Treibstoffen und Chemikalien führt. Diese Arbeit ebnet den Weg für die weitere Optimierung dieses durch erneuerbare Elektrizität angetriebenen katalytischen Prozesses.
Im Kern dieser Entdeckung liegen die faszinierenden Eigenschaften von Katalysatoren, die aus ultradispersen Kupfer- und Stickstoffatomen bestehen, die in Kohlenstoff eingebettet sind.
Während des elektrokatalytischen CO2-Reduktionsprozesses (CO2RR), einem Verfahren zur Umwandlung von CO2 in nützliche Chemikalien, können diese Katalysatoren dynamisch von einzelnen Atomen zu kleinen Clustern und Metallpartikeln, bekannt als Nanopartikel, wechseln und dann wieder zurück, sobald das angelegte elektrische Potential aufgehoben oder auf einen positiveren Wert geändert wird.
Diese Kontrolle über die reversible Transformation bietet einen Schlüssel zur Steuerung der Struktur des Katalysators und somit zur Kontrolle des Ergebnisses des CO2RR-Prozesses, da die Produktselektivität stark von der Katalysatorstruktur abhängt. Zuvor machte die breite Verteilung der verschiedenen Reaktionsprodukte es schwierig, spezifische industriell relevante Chemikalien und Treibstoffe effizient zu produzieren. Um die Transformation des Katalysators in Echtzeit zu überwachen und anzupassen, verwendete das Team operando schnelle Röntgenabsorptionsspektroskopie. Diese fortschrittliche, auf Synchrotron basierende Technik ermöglicht es Wissenschaftler*innen, den Katalysator während der Reaktion mit einer Auflösung im Subsekundenbereich zu beobachten und sicherzustellen, dass die optimalen Bedingungen für die gewünschten CO2RR-Produkte gegeben sind.
Implikationen für zukünftige wissenschaftliche Untersuchungen Diese Studie bietet nicht nur ein tieferes Verständnis des Verhaltens von Katalysatoren und der drastischen strukturellen Transformationen, die während des Betriebs stattfinden können. Sie beleuchtet die CO2-Reduktionsreaktion (CO2RR) und zeigt, wie die Kontrolle der Katalysatorstruktur den Prozess beeinflussen kann. Während die Forschung potenzielle Wege für technologische Anwendungen in der Reduzierung von Treibhausgasen und der Produktion von grünen Chemikalien und Treibstoffen aufzeigt, ist sie in erster Linie ein bedeutender Fortschritt in der wissenschaftlichen Untersuchung und bereitet den Weg für zukünftige Fortschritte auf diesem Gebiet.
Grüne Chemie
Energieeffizient, ressourcenschonend, gesundheits- und umweltverträglich zu sein - das sind die Ziele der Grünen Chemie.
Die Grüne Chemie versteht sich somit als ganzheitlicher Ansatz, der das Konzept Nachhaltigkeit in das chemische Denken integrieren und in der Chemiebranche etablieren möchte. Dabei ist der gesamte Prozess vom Design und der Entwicklung eines neuen Stoffes über die Herstellung bzw. Produktion, die Verarbeitung und die Verwendung bis zur Wiederverwendung bzw. Entsorgung zu betrachten.
Neben dem Ziel, durch neues und innovatives Denken nachhaltig zu handeln, um Natur und Menschen zu schützen, erhält auch die Wirtschaft durch alternative Ansätze, Konzepte und Technologien neue Impulse. Seit den 1990er Jahren beschreiben die „12 Prinzipien der Grünen Chemie“ von John Warner und Paul Anastas den umfassenden, interdisziplinären Ansatz:
1. Abfallvermeidung 2. Vermeidung von Nebenprodukten (Atomökonomie) 3. Durchführung von Synthesen mit weniger gefährlichen Stoffen 4. Herstellung möglichst sicherer und umweltfreundlicher Chemikalien 5. Einsatz umweltfreundlicher Löse- und Hilfsmittel 6. Einsatz energieeffizienter Verfahren 7. Einsatz erneuerbarer Rohstoffe 8. Vermeidung von Derivaten als Zwischenstufen in Synthesen 9. Einsatz von Katalysatoren 10. Herstellung biologisch abbaubarer Stoffe 11. Einsatz von Prozessanalytik zur laufenden Überwachung der Synthesen 12. Unfallvermeidung
Diese 12 Prinzipien lassen sich fünf Zielen der Grünen Chemie zuordnen:
Erneuerbare Energien
Effiziente Prozesse
Sichere und kontrollierbare Verfahren
Geringes Gefährdungspotenzial
Abfallvermeidung
Grünes Design einer Chemikalie
Der Begriff Grüne Chemie wird immer öfter im Zusammenhang mit Nachhaltigkeit verwendet. Auf dieser Seite werden verschiedene Definitionen de
Originalpublikation:
Copper-nitrogen co-doped carbon catalysts reversibly transform into metal clusters, when employed for the electrocatalytic CO2 reduction. He
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