Eine neue Art der Chemikalienherstellung

Forschung schafft Prozesse, die den Bereich der Kohlenstoffnutzung vorantreiben

28.08.2019 - USA

In dem Bestreben, nachhaltige Lösungen für den Energiebedarf der Menschheit zu entwickeln, untersuchen viele Wissenschaftler die CO2-Abscheidung und -Nutzung - die Praxis, überschüssiges Kohlendioxid in der Atmosphäre oder aus punktuellen Quellen anstelle von fossilen Brennstoffen zu verwenden, um Chemikalien zu synthetisieren, die zur Herstellung von Alltagsprodukten von Kunststoffen über Kraftstoffe bis hin zu Pharmazeutika verwendet werden.

Feng Jiao, außerordentlicher Professor für Chemie und Biomolekulartechnik an der University of Delaware (UD), ist führend auf dem Gebiet der CO2-Abscheidung und -Nutzung. Jetzt haben er und seine Kollegen eine neue Entdeckung gemacht, die die CO2-Abscheidung und -Nutzung weiter vorantreiben und ihr Versprechen auf neue Industrien ausweiten könnte.

In der Zeitschrift Nature Chemistry beschreiben Jiao und Mitarbeiter des California Institute of Technology, der Nanjing University (China) und der Soochow University (China), wie sie in einer elektrochemischen Kohlenmonoxid-Reduktionsreaktion Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen gebildet haben, die zur Herstellung hochwertiger Chemikalien namens Amide führten. Diese Substanzen werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, darunter auch in der Pharmazie.

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Das Team ist das erste, das dies tut. "Nun, da wir mit Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle beginnen, können wir auf eine Vielzahl von Produkten expandieren", sagte Jiao, der stellvertretende Direktor des Center for Catalytic Science and Technology (CCST) von UD.

Ideenreichtum, der bei UD begann

Die Wissenschaft hinter diesen Erkenntnissen ist die Elektrochemie, die Strom nutzt, um chemische Veränderungen zu erzeugen. In früheren Forschungsarbeiten hat Jiao einen speziellen Silberkatalysator entwickelt, der Kohlendioxid in Kohlenmonoxid umwandelt. Als nächstes wollte er Kohlenmonoxid weiter zu Multikohlenstoffprodukten aufwerten, die bei der Herstellung von Kraftstoffen, Pharmazeutika und mehr nützlich sind.

"Auf dem Gebiet der elektrochemischen Kohlendioxidkonversion haben wir nur vier Hauptprodukte, die wir mit dieser Technologie herstellen können: Ethylen, Ethanol, Propanol und, wie wir erst vor wenigen Monaten in Nature Catalysis berichtet haben, Acetat", sagte Jiao.

Stickstoff ist der geheime Bestandteil, um das Potenzial des Systems zu erschließen. Das Team verwendete einen elektrochemischen Strömungsreaktor, der typischerweise mit Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid gespeist wird, aber diesmal haben sie sowohl Kohlenmonoxid als auch Ammoniak, eine stickstoffhaltige Verbindung, eingebaut. Die Stickstoffquelle interagiert mit dem Kupferkatalysator an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche und führt zur Bildung von Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen (CN). Dieses Verfahren ermöglichte es dem Team, Chemikalien zu synthetisieren, die bisher auf diese Weise nicht hergestellt wurden, darunter auch Amide, die in der pharmazeutischen Synthese eingesetzt werden können. Viele pharmazeutische Verbindungen enthalten Stickstoff, und "dies bietet tatsächlich eine einzigartige Möglichkeit, große Moleküle aufzubauen, die Stickstoff aus einfachen Kohlenstoff- und Stickstoffspezies enthalten", sagt Jiao.

Bei einem Treffen der American Chemical Society teilte Jiao einige seiner vorläufigen Ergebnisse mit William A. Goddard III, dem leitenden Forscher am Joint Center for Artificial Photosynthesis in Caltech. Goddard, ein weltweit führender Experte, der die Quantenmechanik einsetzt, um den Reaktionsmechanismus und die Geschwindigkeiten solcher elektrokatalytischen Prozesse zu bestimmen, war sehr begeistert von dieser unerwarteten Entdeckung und stellte sein Team sofort ein. Tao Cheng im Goddard-Labor fand heraus, dass die neue Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungskupplung ein Ableger des Mechanismus war, der für die Produktion von Ethylen und Ethanol bestimmt war, was darauf hindeutet, dass Jiao in der Lage sein könnte, andere Verbindungen als CN zu koppeln.

"Durch eine enge Zusammenarbeit mit Prof. Goddard haben wir viel darüber gelernt, wie sich diese Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung auf der Oberfläche des Katalysators gebildet hat", sagt Jiao. "Das gab uns wichtige Erkenntnisse darüber, wie wir noch bessere Katalysatoren entwickeln können, um einige dieser Arten von chemischen Reaktionen zu erleichtern."

Die Auswirkungen dieser Arbeit könnten weitreichend sein.

"Dies hat die erheblichen Auswirkungen auf dem Weg, denke ich, um teilweise die Probleme mit dem Kohlendioxidausstoß anzugehen", sagte Jiao. "Jetzt können wir es tatsächlich als Kohlenstoff-Rohstoff nutzen, um hochwertige Chemikalien herzustellen."

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