Schwefel-Defekt-gebundene Co–Mo-Stellen in MoS2 für hocheffiziente CO2-Hydrierung zu Formiat

Aus einem Problemgas ein nützlicher Rohstoff

Kohlendioxid (CO2) ist ein bedeutendes Treibhausgas, zugleich aber ein kohlenstoffreiches Rohmaterial. Wenn wir CO2 effizient und kostengünstig in nützliche Produkte umwandeln können, lässt sich sowohl der Ausstoß verringern als auch wirtschaftlicher Nutzen schaffen. Diese Studie stellt einen preiswerten Katalysator auf Basis von Molybdändisulfid (MoS2) vor, der durch feine Modifikationen mit Cobaltatomen CO2 und Wasserstoff in Formiat umwandelt — eine einfache kohlenstoffhaltige Verbindung, die in der Textil- und Lederverarbeitung verwendet wird und als möglicher Wasserstoffträger für saubere Energien dient. Die Arbeit zeigt, wie winzige, atomare Eingriffe in die Materialstruktur Leistung und Stabilität unter praxisnahen Bedingungen deutlich verbessern können.

Warum Formiat und warum günstige Katalysatoren wichtig sind

Formiat (eng verwandt mit Ameisensäure) ist ein wichtiges industrielles Grundprodukt und ein vielversprechender Flüssigkeitsspeicher für Wasserstoff. Gegenwärtig erfordert die Herstellung von Formiat aus CO2 meist Katalysatoren mit Edelmetallen wie Palladium, Gold, Iridium oder Ruthenium. Diese Metalle sind knapp und teuer, was eine großtechnische Anwendung einschränkt. Auf erdreichhaltigen Alternativen auf Basis verbreiteter Metalle wurde bereits geforscht, doch sie weisen oft nicht die notwendige Aktivität oder Selektivität für den praktischen Einsatz auf. MoS2, ein geschichtetes Material, bekannt aus Elektronik und Schmierstoffen, hat sich jüngst als vielversprechender Kandidat erwiesen, weil bestimmte „Defekt“-Stellen in seiner Struktur — Bereiche, in denen Schwefelatome fehlen — die CO2-Hydrierung beschleunigen können. Allerdings war es eine große Herausforderung, genügend dieser hochaktiven Stellen zu erzeugen und sie vor Deaktivierung durch Luftsauerstoff zu schützen.

Bessere aktive Stellen durch Cobaltatome aufbauen

Die Autoren gingen dieses Problem an, indem sie einzelne Cobaltatome ins MoS2-Gitter einfügten und damit einige Molybdänatome ersetzten — das resultierende Material bezeichnen sie als Co–MoS2. Anhand von Elektronenmikroskopie und einer Reihe von Röntgenmethoden zeigten sie, dass das Cobalt nicht in Partikeln gebündelt ist, sondern als einzelne Atome in den MoS2-Schichten verteilt vorliegt. Diese eingebetteten Cobaltatome verändern die lokale Bindungsstruktur im Gitter. Insbesondere schwächen sie die Bindungen zwischen benachbarten Metallatomen und den umliegenden Schwefel- oder Sauerstoffatomen. Unter wasserstoffreichen Reaktionsbedingungen erleichtert diese geschwächte Bindung das Entfernen von Schwefel- oder Sauerstoffatomen von der Oberfläche und schafft bzw. regeneriert so die Schwefelvakanzstellen, die als die eigentlichen katalytischen „Hot Spots“ fungieren. Infolgedessen setzt Co–MoS2 deutlich mehr aktive Stellen frei als reines MoS2 — sowohl an den Kanten der Schichten als auch auf ihren großen ebenen Flächen.

Von strukturellen Anpassungen zu besserer Leistung

Getestet in einem druckbeaufschlagten Reaktor mit in Bicarbonatlösung gelöstem CO2 und Wasserstoff erzeugte der cobaltmodifizierte Katalysator Formiat mit einer Rate von 17,0 Millimol pro Gramm Katalysator und Stunde bei über 99 % Selektivität gegenüber Formiat bei 200 °C. Diese Rate liegt fast dreimal so hoch wie die von unverändertem MoS2 und übertrifft die Leistung anderer nicht-edelmetallbasierter Katalysatoren, die für dieselbe Reaktion berichtet wurden. Wichtig ist, dass der Katalysator seine Aktivität über mindestens acht Reaktionszyklen von insgesamt 80 Stunden beibehielt und sowohl seine Nanoschichtstruktur als auch seine Kristallphase intakt blieben. Messungen der Bindungsmenge von Stickstoffmonoxid an die Schwefelvakanzstellen zeigten, dass Co–MoS2 nach einer in-situ-Behandlung in Wasserstoff etwa drei- bis viermal mehr dieser Schlüsselstellen aufweist als reines MoS2 — eine direkte Verbindung zwischen der strukturellen Modifikation und dem Sprung in der Aktivität.

Wie der Mechanismus auf atomarer Ebene funktioniert

Um die Chemie genauer zu verstehen, nutzte das Team Computersimulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie. Diese Rechnungen zeigten, dass sowohl Kanten- als auch Ebenen-Schwefelvakanzstellen dazu neigen, Sauerstoff stark zu binden, was erklärt, warum ihre Exposition gegenüber Luft sie schnell blockiert. Wenn jedoch Cobalt Molybdän in der Nähe einer Vakanz ersetzt, wird die Wechselwirkung zwischen den Metallatomen und dem gebundenen Sauerstoff schwächer, wodurch die Aktivierungsbarriere für die Entfernung dieses Sauerstoffs durch Wasserstoff sinkt und die Stelle sich wieder öffnet. Die Simulationen verfolgten außerdem den wahrscheinlichen Reaktionsweg für CO2: An den Cobalt–Molybdän-Vakanzstellen bindet CO2 mit moderater Stärke und wird eher über ein Carboxyl-(COOH)-Zwischenprodukt hydrogeniert, statt die Carbon–Sauerstoff-Bindung vollständig zu spalten. Dieser Weg begünstigt die selektive Bildung von Formiat statt anderer Produkte wie Kohlenmonoxid oder Methan und funktioniert ähnlich an Kanten- wie an Basalflächenstellen.

Was das für CO2-Konversionstechnologien bedeutet

Vereinfacht gesagt zeigt diese Studie, dass „intelligente Defekte“ ein verbreitetes Material in einen leistungsstarken Katalysator verwandeln können, der Abfall‑CO2 in eine wertvolle Chemikalie überführt. Durch die gezielte Platzierung von Cobaltatomen im MoS2-Gitter schufen die Forscher zahlreiche zusätzliche aktive Stellen, die den Kontakt mit Luft überstehen und während des Betriebs reaktiviert werden können. Das Ergebnis ist ein robustes, edelmetallfreies Material, das CO2 und Wasserstoff effizient und selektiv in Formiat umsetzt. Über dieses spezifische System hinaus liefert die Arbeit ein allgemeines Konzept: Indem man Fremdatome in Wirtmaterialien einschließt, um zu steuern, wie leicht Schlüsselatome hinzugefügt oder entfernt werden können, lassen sich widerstandsfähigere und sauerstofftolerantere Katalysatoren für vielfältige Anwendungen in sauberer Energie und grüner Chemie entwerfen.

Zitation: Wang, Z., Kang, Y., Chen, G. et al. Sulfur vacancy-confined Co-Mo sites in MoS₂ for high-efficiency CO₂ hydrogenation to formate. Nat Commun 17, 3121 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69780-8

Schlüsselwörter: CO2-Hydrierung, Formiatproduktion, Molybdändisulfid-Katalysator, Einzelatom-Katalyse, Nutzung von Treibhausgasen