Neuer Baukasten-Katalysator für die Umwandlung von CO2 zu Ethylen

Chemie-Chance Neuer Baukasten-Katalysator für die Umwandlung von CO2 zu Ethylen

23.05.2024 Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker 2 min Lesedauer

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Wie die Gesellschaft Deutscher Chemiker meldet, hat man jetzt die Möglichkeit, Katalysatoren aus dem Baukasten zu entwickeln, um etwa Kohlendioxid umzuwandeln und fossile Ressourcen zu sparen.

Chinesische Forscher haben jetzt einen Weg entdeckt, auf dem man aus Kohlendioxid Ethylen katalysieren kann. Der Vorteil ist, dass der neue Katalysator (Symbolbild), der dazu entwickelt wurde, metallfrei ist und flexibel angepasst werden kann.(Bild: Ch. Diewaldt) — Chinesische Forscher haben jetzt einen Weg entdeckt, auf dem man aus Kohlendioxid Ethylen katalysieren kann. Der Vorteil ist, dass der neue Katalysator (Symbolbild), der dazu entwickelt wurde, metallfrei ist und flexibel angepasst werden kann.
(Bild: Ch. Diewaldt)

Das Treibhausgas CO₂ als chemischen Rohstoff zu verwenden, würde nicht nur Emissionen verringern sondern gleichzeitig den Verbrauch fossiler Rohstoffe. Eine neuartige metallfreie, organische Gerüstverbindung könnte nun Wege eröffnen, um Ethylen, eine der bedeutendsten Basischemikalien, elektrokatalytisch aus Kohlendioxid herzustellen. Denn Ethylen wird momentan industriell unter sehr hohem Energieeinsatz durch Cracken und Rektifikation fossiler Rohstoffe hergestellt. Wie ein Team in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, spielen Stickstoffatome mit spezieller Elektronenkonfiguration bei der Innovation eine entscheidende Rolle. Und CO₂ ist außerdem sehr stabil und lässt sich nur schwer zur Reaktion bringen, wie es weiter heißt. Mit Strom und Katalysatoren lässt es sich inzwischen aber zu Methanol oder Methan umsetzen. Die zusätzliche Herausforderung bei der Herstellung von Ethylen ist aber, eine Bindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen zu knüpfen. Das konnten bisher nur Katalysatoren aus dem relativ teuren Kupfer leisten. Eine metallfreie Elektrokatalyse wäre deshalb wünschenswert, denn Metalle sind ein Kostenfaktor und oft problematisch für die Umwelt.

Kupferfrei! Lieber COFs als MOFs für die Ethylengewinnung

Ein Team der Universität Wuhan (China) hat jetzt einen metallfreien Elektrokatalysator für die Umsetzung von CO₂ zu Ethylen auf Basis einer stickstoffhaltigen kovalenten, organischen Gerüstverbindung (Covalent Organic Framework, COF) entwickelt. COFs sind eine neue Art poröser, kristalliner und rein organischer Materialien mit definierter Topologie, erklären die Experten. Anders als metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) benötigen sie deshalb keine Metallionen für den Zusammenhalt. Porengrößen und chemischen Eigenschaften sollen sich über die Bausteine in einem breiten Spektrum einstellen einstellen lassen. Als Elektroden zeigten die synthetisierten COFs eine hohe Selektivität und Leistungsfähigkeit (Faraday-Effizienz bis zu 19,1 Prozent) für die Erzeugung von Ethylen. Erfolgsgeheimnis einer Art von COFs ist die hohe Dichte an aktiven sogenannten sp3-Stickstoffzentren, die CO₂ sehr effektiv einfangen und Elektronen übertragen, wie es weiter heißt. So entsteht eine hohe Konzentration angeregter Intermediate, die dann eine C-C-Kupplung eingehen können. Verschiedene ebenfalls getestete andere COFs, die keinen sp3-, sondern einen sp2-Stickstoff enthalten, erzeugten dagegen kein Ethylen. Dies beweist die Bedeutung der passenden Elektronenkonfiguration für die elektrochemische CO₂-Reduktion zu Ethylen.

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