KANAZAWA, Japan, 8. Juni 2023 /PRNewswire/ — Forscher der Universität Kanazawa berichten, wie eine ultradünne Schicht aus Zinndisulfid die chemische Reduktion von Kohlendioxid beschleunigen kann – für eine klimaneutrale Gesellschaft.
Das Recycling von Kohlendioxid (CO2), das bei industriellen Prozessen entsteht, ist eine Notwendigkeit im dringenden Bestreben der Menschheit nach einer nachhaltigen, klimaneutralen Gesellschaft. Aus diesem Grund werden Elektrokatalysatoren, die CO2 effizient in andere, weniger schädliche chemische Produkte umwandeln können, derzeit intensiv erforscht. Eine Materialklasse, die als zweidimensionale (2D) Metalldichalkogenide bekannt ist, gilt als vielversprechender Kandidat für die CO2-Umwandlung. Allerdings fördern diese Materialien häufig auch Nebenreaktionen, was ihre Effizienz mindert. Yasufumi Takahashi und seine Kollegen am Nanobiology Science Institute (WPI-NanoLSI) der Universität Kanazawa haben ein zweidimensionales Metalldichalkogenid identifiziert, das CO2 effektiv zu Ameisensäure reduzieren kann – und zwar nicht nur zu Ameisensäure natürlichen Ursprungs. Darüber hinaus handelt es sich bei dieser Verbindung um ein Zwischenprodukt der chemischen Synthese.
Takahashi und Kollegen verglichen die katalytische Aktivität von zweidimensionalem Disulfid (MoS₂) und Zinndisulfid (SnS₂). Beide sind zweidimensionale Metalldichalkogenide, wobei letzteres von besonderem Interesse ist, da reines Zinn als Katalysator für die Ameisensäureherstellung bekannt ist. Elektrochemische Untersuchungen dieser Verbindungen zeigten, dass die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) durch die Verwendung von MoS₂ anstelle der CO₂-Umwandlung beschleunigt wird. Die HER bezeichnet eine Reaktion, die Wasserstoff erzeugt und für die Wasserstofferzeugung nützlich ist, bei der CO₂-Reduktion jedoch einen unerwünschten Nebenprozess darstellt. SnS₂ hingegen zeigte eine gute CO₂-Reduktionsaktivität und hemmte die HER. Die Forscher führten auch elektrochemische Messungen an SnS₂-Pulver durch und stellten fest, dass dieses bei der katalytischen Reduktion von CO₂ weniger aktiv war.
Um zu verstehen, wo sich die katalytisch aktiven Zentren in SnS₂ befinden und warum ein zweidimensionales Material eine bessere Leistung als ein massives Material aufweist, nutzten die Wissenschaftler die Rasterzellen-Elektrochemische Mikroskopie (SECCM). Die SECCM dient als Nanopipette und bildet eine nanometergroße, meniskusförmige elektrochemische Zelle für Sonden, die empfindlich auf Oberflächenreaktionen von Proben reagieren. Die Messungen zeigten, dass die gesamte Oberfläche der SnS₂-Schicht katalytisch aktiv ist, nicht nur die „Plattform“- oder „Rand“-Elemente der Struktur. Dies erklärt auch, warum zweidimensionales SnS₂ eine höhere Aktivität als massives SnS₂ aufweist.
Berechnungen liefern weitere Einblicke in die ablaufenden chemischen Reaktionen. Insbesondere wurde die Bildung von Ameisensäure als energetisch günstiger Reaktionsweg identifiziert, wenn 2D-SnS2 als Katalysator verwendet wird.
Die Ergebnisse von Takahashi und Kollegen stellen einen wichtigen Schritt hin zum Einsatz zweidimensionaler Elektrokatalysatoren in der elektrochemischen CO₂-Reduktion dar. Die Wissenschaftler erklären: „Diese Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis und zur Weiterentwicklung einer zweidimensionalen Metalldichalkogenid-Elektrokatalysestrategie für die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid bei, um Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Fettsäuren und Alkene ohne Nebenprodukte herzustellen.“
Zweidimensionale (2D) Schichten (oder Monolagen) von Metalldichalkogeniden sind Materialien des Typs MX₂, wobei M ein Metallatom wie Molybdän (Mo) oder Zinn (Sn) und X ein Chalkogenatom wie Schwefel (C) ist. Die Struktur lässt sich als eine Schicht von X-Atomen auf einer Schicht von M-Atomen darstellen, die wiederum auf einer Schicht von X-Atomen liegt. Zweidimensionale Metalldichalkogenide gehören zur Klasse der sogenannten zweidimensionalen Materialien (zu der auch Graphen zählt), was bedeutet, dass sie dünn sind. 2D-Materialien weisen oft andere physikalische Eigenschaften auf als ihre dreidimensionalen (3D) Pendants.
Zweidimensionale Metalldichalkogenide wurden hinsichtlich ihrer elektrokatalytischen Aktivität in der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER), einem chemischen Prozess zur Wasserstofferzeugung, untersucht. Yasufumi Takahashi und seine Kollegen an der Universität Kanazawa haben nun jedoch festgestellt, dass das zweidimensionale Metalldichalkogenid SnS₂ keine HER-katalytische Aktivität aufweist; dies ist eine äußerst wichtige Eigenschaft im strategischen Kontext des Forschungspfads.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta und Yasufumi Takahashi. Platte 1T/1H-SnS2 für den elektrochemischen Transfer von CO2, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Titel: Rasterexperimente mit elektrochemischer Mikroskopie an Zellen zur Untersuchung der katalytischen Aktivität von SnS2-Schichten zur Reduzierung von CO2-Emissionen.
Das Nanobiologische Institut der Universität Kanazawa (NanoLSI) wurde 2017 im Rahmen eines Programms des weltweit führenden internationalen Forschungszentrums MEXT gegründet. Ziel des Programms ist die Schaffung eines Forschungszentrums von Weltrang. NanoLSI vereint die wichtigsten Erkenntnisse der biologischen Rasterkraftmikroskopie und etabliert die „Nanoendoskopie-Technologie“ zur direkten Abbildung, Analyse und Manipulation von Biomolekülen, um Einblicke in die Mechanismen zu gewinnen, die Lebensvorgänge wie Krankheiten steuern.
Als eine der führenden Universitäten für Allgemeinbildung an der Küste des Japanischen Meeres hat die Universität Kanazawa seit ihrer Gründung im Jahr 1949 einen großen Beitrag zur Hochschulbildung und akademischen Forschung in Japan geleistet. Die Universität verfügt über drei Fakultäten und 17 Schulen, die Disziplinen wie Medizin, Informatik und Geisteswissenschaften anbieten.
Die Universität befindet sich in Kanazawa, einer Stadt an der Küste des Japanischen Meeres, die für ihre Geschichte und Kultur berühmt ist. Seit der Feudalzeit (1598–1867) genießt Kanazawa hohes intellektuelles Ansehen. Die Universität Kanazawa gliedert sich in zwei Hauptcampus, Kakuma und Takaramachi, und hat rund 10.200 Studierende, darunter 600 internationale Studierende.
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