Elektrochemische Synthese jetzt auch ohne elektrische Energiequelle möglich

Neues Verfahren ist unabhängig von einer Stromversorgung und kann für die nachhaltige organische Synthese in stromlosen Gebieten eingesetzt werden

02.06.2022 - Japan

Die Synthese organischer Verbindungen und Polymere ist das Herzstück vieler Fertigungsindustrien. Die neuen "elektrisierenden Synthesemethoden", die die herkömmliche Synthesechemie mit der Elektrochemie kombinieren können, sind ein Schritt in Richtung einer nachhaltigen Zukunft. Für diese Reaktionen werden keine potenziell schädlichen chemischen Reagenzien benötigt. Sie erreichen die organische Synthese, indem sie einfach Elektronen aus einer elektrischen Stromquelle zur Durchführung von Redoxreaktionen nutzen.

Diese Reaktionen sind nicht nur umweltfreundlich, sondern können durch Feinabstimmung der elektrischen Potentiale auch mehr oder weniger selektiv gestaltet werden. Ihre Abhängigkeit von einer Stromquelle schränkt jedoch ihre Anwendung in Bereichen ohne Stromversorgung wie der Luft- und Raumfahrt oder der Tiefsee ein.

Die Lösung für dieses widersprüchliche Problem wurde von einem Forscherteam unter der Leitung von Prof. Shinsuke Inagi vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, vorgestellt. In ihrer kürzlich in Communications Chemistry veröffentlichten Studie lieferte das Team einen Konzeptnachweis für die elektrochemische Polymerisation organischer aromatischer Monomere ohne externe Energieversorgung. Prof. Inagi erklärt: "Wir haben einen großen Sprung in der Entwicklung elektrochemischer Reaktoren für die organische Synthese erlebt, aber die meisten benötigen eine Stromquelle. Wir wollten ein stromunabhängiges System bauen, um den Prozess leichter zugänglich zu machen. Und wir fanden die Antwort auf unsere Suche in der strömungspotentialgetriebenen Elektrochemie".

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Was genau ist dieses strömende Potenzial, von dem Prof. Inagi spricht?

Wenn ein Elektrolyt durch einen Mikrokanal fließt, entsteht durch diese Bewegung ein Druckunterschied. Dies führt zu einem Ladungsungleichgewicht, wodurch ein Strömungspotenzial entsteht. Das Team verwendete für seine Experimente eine maßgeschneiderte Zweikammerzelle aus Polyetheretherketon (oder PEEK), die durch Platindrähte und ein PEEK-Mikroröhrchen verbunden war. Dieses PEEK-Mikroröhrchen war dicht mit Watte gefüllt, um einen Druckabfall zu erzeugen. Wenn sie einen Elektrolyten durch das Mikroröhrchen leiteten, erzeugte dieser ein Strömungspotenzial, das genügend Energie für die gewünschten chemischen Reaktionen liefern konnte.

Beim Betrieb der Zelle erfuhren die Elektroden in der Zweikammerzelle sowohl ein stromaufwärts als auch ein stromabwärts gerichtetes Strömungspotenzial, wodurch sich die Zelle wie eine so genannte geteilte bipolare Elektrode (BPE) verhielt. Dieser BPE-Aufbau und das erzeugte Strömungspotenzial von 2 bis 3 Volt waren für die Schaffung von Bedingungen verantwortlich, die die Redoxreaktionen der organischen Monomere begünstigten.

Um die Polymerisationsfähigkeit dieses Aufbaus zu testen, wählte das Team zwei aromatische organische Verbindungen: Pyrrol (Py) und 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT). Diese beiden Monomere wurden erfolgreich zu Polypyrrol (PPy) bzw. Poly-EDOT (PEDOT) elektropolymerisiert, und zwar ohne externe Energiequelle!

Dieser neue druckgetriebene, umweltfreundliche und stromunabhängige Reaktor eröffnet neue Wege für die Elektrifizierung von Synthesereaktionen. Die Erkenntnisse aus dieser Studie können sich auch bei der Entwicklung neuer elektrochemischer Reaktoren für die Synthese nützlicher organischer Verbindungen und Polymere als wertvoll erweisen. "Die ganze Welt versucht, wichtige industrielle Prozesse umweltfreundlicher und sauberer zu gestalten. Da die organische Synthese das Herzstück vieler chemischer Industrien ist, haben wir versucht, ein Elektrosyntheseverfahren zu entwickeln, das ein Minimum an Ressourcen benötigt und zu den Zielen der nachhaltigen Entwicklung beiträgt", schließt Prof. Inagi.

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