Forscher am Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) der Universität Tohoku haben einen neuen Ansatz zur elektrochemischen Kohlendioxid-(CO?)-Reduktion vorgestellt. Durch die Entwicklung mehrschichtiger Kern-Schale-Strukturen aus Kobaltphthalocyanin (CoPc) und Kohlenstoff hat das Team eine Katalysatorarchitektur demonstriert, die die Umwandlung von CO? in Kohlenmonoxid (CO) sowohl stabil als auch effizient macht.
Die Studie kombinierte umfangreiche Datenanalysen und künstliche Intelligenz (KI), um 220 molekulare Kandidaten zu screenen. Kobaltphthalocyanin – allgemein bekannt als blaues Pigment – ??erwies sich als die effektivste Option für die selektive CO?-Produktion. Diese Entdeckung bildete die Grundlage für die Konstruktion von Elektroden, die für die CO?-Nutzung optimiert sind.
„Wir wollten über die konventionelle Denkweise hinausgehen, dass isolierte Moleküle die beste Leistung erbringen“, sagte Hiroshi Yabu, Professor am (WPI-AIMR), der die Forschung leitete. „Stattdessen zeigen unsere Ergebnisse, dass das Stapeln dieser Moleküle in geordneten Schichten eine viel stärkere katalytische Wirkung erzeugt.“
Das Team entwickelte ein Hybriddesign, bei dem CoPc kristalline Schichten um leitfähige Kohlenstoffpartikel bildet. Dieser mehrschichtige Kern-Schale-Katalysator zeigte eine hohe Stromdichte und hielt die CO-Selektivität über einen längeren Zeitraum hinweg über 90 % aufrecht, selbst unter anspruchsvollen elektrochemischen Bedingungen.
Eine zentrale Erkenntnis der Studie ist, dass die verbesserte Leistung eher auf die mehrschichtige Anordnung als auf einzelne Moleküle zurückzuführen ist. Experimente zeigten, dass geordnete Stapelung den Ladungstransfer an der Katalysatoroberfläche fördert, während theoretische Berechnungen bestätigten, dass dieser elektronische Effekt die katalytische Aktivität deutlich erhöht.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass mehrschichtige Molekülarchitekturen einen Weg zu effektiveren Katalysatoren bieten könnten, nicht nur für die Umwandlung von CO? in CO, sondern auch für andere Reaktionen, die für die Erzeugung sauberer Energie von zentraler Bedeutung sind. Die Forscher planen nun, das System unter industriellen Bedingungen zu testen und zu untersuchen, ob ähnliche Designs die Wasserstoff- oder Ammoniakproduktion verbessern können.
Indem die Arbeit zeigt, wie ein bekanntes Material – einst hauptsächlich als Pigment verwendet – für nachhaltige Technologien neu interpretiert werden kann, unterstreicht sie die Rolle kreativer Katalysatorentwicklung bei der Förderung des Kohlenstoffrecyclings. Die Studie markiert einen Schritt hin zu praktischen Systemen, die zur Reduzierung der CO?-Emissionen beitragen und gleichzeitig Kraftstoffe und nützliche Chemikalien produzieren können.
Quelle:
Applied Catalysts B: Environment and Energy.
DOI: 10.1016/j.apcatb.2025.125852
