Wichtige chemische Zwischenprodukte in der Schadstoff-zu-Kraftstoff-Reaktion identifiziert

Ergebnisse werden dazu beitragen, einen Luftschadstoff in Kraftstoff für Fahrzeuge und in chemische Grundstoffe für die Industrie umzuwandeln

11.07.2022 - Japan

Forscher der Universität Tsukuba und ihre Kooperationspartner haben die Hydrierung von metalladsorbiertem Formiat experimentell gemessen. Diese Entwicklung wird die praktische Umwandlung von Kohlendioxid-Schadstoffen in Methanol-Kraftstoff erleichtern.

Die Verschmutzung durch Kohlendioxid verändert weiterhin das globale Klima. Forscher wissen, wie man diese Verschmutzung lokalisieren kann, sogar auf regionaler Ebene und nahezu in Echtzeit, wie dieses Jahr in Science Advances (22. April) hervorgehoben wurde. Als Teil einer Lösung für die Kohlendioxidverschmutzung konzentrieren sich viele Studien auf die Umwandlung dieses Schadstoffs in einen Kraftstoff, wie z. B. Methanol. Katalysatoren auf Kupferbasis sind ein Werkzeug für solche Umwandlungen. Um die Umwandlung des Schadstoffs Kohlendioxid in Methanol zu optimieren, ist es wichtig, die entsprechenden chemischen Vorgänge Schritt für Schritt zu verstehen. Die Einzelheiten dieser Chemie sind jedoch nach wie vor unklar; es sind Experimente erforderlich, um Hypothesen zu testen, die derzeit auf Computersimulationen beruhen.

In einer Studie, die kürzlich im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurde, haben Forscher der Universität Tsukuba und ihre Kooperationspartner die Hydrierung von mit Kupfer adsorbiertem Formiat experimentell gemessen. Diese Studie wird den Forschern helfen, kritische Schritte im oben erwähnten Prozess der Umwandlung von Schadstoffen in Kraftstoffe zu optimieren und so die Methanolproduktion zu beschleunigen.

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"Die Hydrierung von Kohlendioxid zu Methanol ist eine potenzielle Schlüsseltechnologie für die Herstellung von Kraftstoffen und chemischen Rohstoffen, aber die Optimierung der Reaktion ist nach wie vor schwierig", erklärt Dr. Kotaro Takeyasu, leitender Autor. "Das liegt daran, dass es schwierig ist, chemische Zwischenstufen im schrittweisen Reaktionsmechanismus experimentell nachzuweisen."

Die Infrarot-Reflexions-Absorptionsspektroskopie und die temperaturprogrammierte Desorption waren entscheidend, um zwei wichtige Erkenntnisse zu gewinnen. Erstens: Bei einer Temperatur von 200 Kelvin führte die Einwirkung von atomarem Wasserstoff zur Hydrierung des adsorbierten Formiats. Die genaue chemische Natur des Produkts ist noch nicht klar. Außerdem wurde festgestellt, dass sich das hydrierte Formiat bei einer Temperatur von 250 Kelvin wieder in adsorbiertes Formiat oder gasförmigen Formaldehyd zersetzt, und zwar im Verhältnis 96:4.

"Auf der Grundlage unserer experimentellen und rechnerischen Arbeit beträgt die Aktivierungsenergie der Hydrierung von adsorbiertem Formiat etwa 121 Kilojoule pro Mol", erklärt Dr. Takeyasu. "Unsere Ergebnisse stimmen mit den Ergebnissen von Studien zur Methanolsynthese überein."

Kupfer-Zink-Legierungen sind in diesem Arbeitsbereich besonders häufig anzutreffen. Die Forschungsgruppe untersucht derzeit, wie sich die in der vorliegenden Studie berichteten Aktivierungsenergien mit besonders nützlichen katalytischen Legierungen vergleichen lassen, was ebenfalls experimentelle und rechnerische Untersuchungen erfordert.

Die Ergebnisse dieser Studie werden den Forschern helfen, die Methanolproduktion aus Kohlendioxid zu optimieren. Diese Arbeiten werden dazu beitragen, einen Luftschadstoff in Kraftstoff für Fahrzeuge und in chemische Grundstoffe für die Industrie umzuwandeln. Sie bietet eine Möglichkeit, Kohlendioxid, das gemeinhin als Abfall betrachtet wird, einen Mehrwert zu verleihen. Durch die Optimierung der hier beschriebenen Hydrierungsreaktion könnte den Forschern ein neues Instrument zur Verfügung stehen, mit dem sie begrenzte Ressourcen optimal nutzen können.

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