Dieses innovative Verfahren überwindet die Grenzen anderer bisher entwickelter Systeme, die entweder weniger selektiv oder zu instabil für eine industrielle Nutzung sind. Ein Fortschritt, der in Nature Catalysis veröffentlicht wurde und den Weg für eine nachhaltige Produktion fossiler Brennstoffe ebnet.
Die Umwandlung von Kohlendioxid (CO₂) in höherwertige chemische Produkte, wie Kraftstoffe, ist eine der größten Herausforderungen der grünen Chemie. Da das CO2-Molekül sehr stabil ist, erfordert diese Umwandlung Energie und die Entwicklung effizienter und kostengünstiger Katalysatoren.
In den letzten Jahren wurden mehrere elektrochemische Verfahren entwickelt, die Elektroden auf Kupferbasis verwenden, das als Katalysator dient, oder kohlenstoffbasierte Elektroden, die mit molekularen Katalysatoren* beschichtet sind. Bisher ist es diesen hauptsächlich gelungen, einfache Verbindungen wie Kohlenmonoxid (CO) oder Formiat (HCOO-) zu erzeugen. Die Gewinnung komplexerer Produkte, die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen enthalten, bleibt schwierig.
Zwar können Katalysatoren auf Kupferbasis dies erreichen, sie erzeugen jedoch oft ein Gemisch aus Molekülen mit zwei oder mehr Kohlenstoffatomen, typischerweise Ethanol, aber auch Ethylen und Acetat, wobei die Selektivität schwer zu kontrollieren ist. Im Hinblick auf eine Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft wäre es natürlich vorzuziehen, direkt Ethanol zu produzieren, ohne zusätzliche Schritte der Reinigung und Trennung der Produkte zu benötigen.
Ein internationales Wissenschaftlerteam hat kürzlich ein neues katalytisches System entwickelt, das diese Hindernisse überwindet, indem es einen eisenhaltigen organometallischen Komplex, das Tetraphenylporphyrin von Eisen oder Fe-TPP, auf einem Nickelsubstrat einsetzt.
Die Forscher aus den Niederlanden, den USA, Kanada und Frankreich (am Pariser Institut für Molekulare Chemie - CNRS/Sorbonne Universität) verwendeten einen innovativen Ansatz, bei dem der molekulare Katalysator, ein Eisenkomplex, auf einem Nickelschaum befestigt wird. Diese Strategie, die traditionelle kohlenstoffbasierte Träger zugunsten der Verwendung von Metallelektroden aufgibt, trotz ihres Potentials für konkurrierende elektrochemische Reaktionen, ermöglichte es ihnen, eine nahezu vollständige Umwandlung von CO2 in Ethanol zu erreichen.
Bemerkenswerterweise liefert die Nickel-Fe-TPP-Elektrode bei niedrigen Potentialen hohe Ethanol-Ausbeuten, ohne unerwünschte Nebenprodukte wie Acetat oder Methan zu produzieren, und übertrifft damit alle nicht kupferbasierten Systeme. Diese Effizienz bleibt auch über viele Betriebsstunden hinweg erhalten.
Dieser in Nature Catalysis veröffentlichte Fortschritt stellt die langjährigen Annahmen über molekulare Katalysatoren infrage. Vor allem aber eröffnet es neue elektrochemische Wege zur Umwandlung von CO₂ und CO in Alkohole wie Ethanol, Methanol oder Propanol.
Das erzeugte Ethanol kann leicht gespeichert und als erneuerbarer Kraftstoff verwendet werden, der eine nachhaltige Alternative zu fossilen Ressourcen bietet und die Abhängigkeit von der sehr ressourcenintensiven Produktion von Bioethanol senkt. Steht die Kreislaufwirtschaft für CO2 also kurz vor der Verwirklichung?
Anmerkung:
* Im Gegensatz zu herkömmlichen festen oder metallischen Katalysatoren sind molekulare Katalysatoren meist organometallische Komplexe, bei denen ein zentrales Metallatom von organischen Liganden umgeben ist, die seine chemischen Eigenschaften ändern.
Redakteur: AVR
Referenz:
Eliminating redox-mediated electron transfer mechanisms on a supported molecular catalyst enables CO2 conversion to ethanol
Maryam Abdinejad, Amirhossein Farzi, Robin Möller-Gulland, Fokko Mulder, Chengyu Liu, Junming Shao, Jasper Biemolt, Marc Robert, Ali Seifitokaldani & Thomas Burdyny.
Nature Catalysis 2024
https://doi.org/10.1038/s41929-024-01225-1