Neuartiges Verfahren zur Gewinnung wichtiger Rohstoffe für die chemische Industrie ohne CO₂-Emissionen
Forscher stellen Peroxid aus Sauerstoff her, wobei sie die Photokatalyse zur Steuerung des Prozesses nutzten
Eine in ACS Applied Materials & Interfaces, einer Zeitschrift der American Chemical Society, veröffentlichte Studie beschreibt ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Wasserstoffperoxid (H2O2) ohne Emission von Kohlendioxid (CO2), einem der wichtigsten Treibhausgase und einer der weltweit am häufigsten produzierten Chemikalien.
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Wasserstoffperoxid wird zum Bleichen von Stoffen, Zellstoff und Papier sowie zum Aufhellen der Zähne verwendet. Es wird auch als Treibstoff für die Lageregelung von Satelliten und als Desinfektions- oder Sterilisationsmittel in Krankenhäusern verwendet. Jährlich werden etwa 2 Millionen Tonnen dieser Verbindung hergestellt.
"Um die Auswirkungen unserer Ergebnisse zu verstehen, muss man sich vor allem die Bedeutung von H2O2 in der chemischen Industrie und die Art und Weise, wie es derzeit hergestellt wird, vor Augen halten", so Ivo Freitas Teixeira, Chemieprofessor an der Bundesuniversität von São Carlos (UFSCar) im brasilianischen Bundesstaat São Paulo. Er hat an der Universität von São Paulo (USP) in anorganischer Chemie promoviert und war von 2019 bis 2021 Humboldt-Stipendiat am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam, Deutschland.
"All dieses Peroxid wird durch einen Prozess hergestellt, an dem Anthrachinon [eine Verbindung, die aus der Hydrolyse von Anthracen, einer giftigen Substanz, gewonnen wird] beteiligt ist. Bei diesem Verfahren wird Anthrachinon reduziert und dann oxidiert, um H2O2 herzustellen. Die Nachteile der Methode sind die hohen Kosten für Anthrachinon und die Verwendung von Edelmetallen wie Pd [Palladium] und H2 [Wasserstoff] als Reduktionsmittel. Dieser Wasserstoff wird durch Dampf-Methan-Reformierung hergestellt, die hohe Temperaturen erfordert und CO2 freisetzt, was zur globalen Erwärmung beiträgt", sagte er.
In der Studie stellten die Forscher Peroxid aus Sauerstoff (O2) her, wobei sie die Photokatalyse zur Steuerung des Prozesses nutzten. Bei der Photokatalyse werden die Katalysatoren (Substanzen, die die chemische Reaktion beschleunigen) durch sichtbares Licht anstelle von hohen Temperaturen oder Druck aktiviert. Ein weiterer Vorteil ihrer Methode war die Verwendung von Kohlenstoffnitrid als Photokatalysator. Dieses Material besteht nur aus Kohlenstoff und Stickstoff, die beide in der Erdkruste reichlich vorhanden sind, und kann im sichtbaren Bereich aktiviert werden, der etwa 45% des Sonnenspektrums entspricht. Es ist daher wahrscheinlich, dass Sonnenlicht anstelle von künstlicher Beleuchtung verwendet werden kann, was das Verfahren kostengünstiger macht.
Nachdem die Forscher verschiedene Reaktionsbedingungen getestet hatten, kamen sie zu einem System mit einer hervorragenden H2O2-Produktionsrate. "Wir erreichten die O2-Reduktion über einen photokatalytischen Weg, bei dem die Wasserstoffquelle das Wasser im Reaktionsmedium oder das Opferreagenz, typischerweise Glycerin, ein Nebenprodukt der Biodieselproduktion, war", erklärte Teixeira.
In diesem System wird Kohlenstoffnitrid als Halbleiter verwendet, um Ladungen zu trennen, wenn es in Licht getaucht wird, was Reduktions- und Oxidationsreaktionen fördert. Das O2 wird zu H2O2 reduziert und das Opferreagenz (Glycerin) wird oxidiert. Das H2O2 wird ohne den Einsatz von H2 und damit ohne CO2-Emissionen gewonnen.
"Der Weg, den wir in unserer Untersuchung zurücklegen mussten, bis wir zu den in dem veröffentlichten Artikel beschriebenen Ergebnissen gelangten, war lang, denn wir entdeckten, dass gleichzeitig mit der Produktion von H2O2 auf der Oberfläche des Photokatalysators auch ein Abbau stattfinden konnte", so Teixeira. "Wir mussten mehrere Tests durchführen und den Photokatalysator immer wieder modifizieren, um die Bildung von H2O2 zu fördern und seine Zersetzung zu verhindern. Das Verständnis des Mechanismus, durch den sich H2O2 auf der Oberfläche von Kohlenstoffnitrid zersetzt, war äußerst wichtig, damit wir den idealen Photokatalysator für diese Reaktion entwickeln konnten."
Teixeira leitet ein von der FAPESP unterstütztes Forschungsteam an der UFSCar. Er ist Letztautor des Artikels, der auch von Andrea Rogolino (Universität Padua, Italien), Ingrid Silva, Nadezda Tarakina und Markus Antonietti (Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Deutschland) sowie Marcos da Silva und Guilherme Rocha (UFSCar) unterzeichnet ist.
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