Wissenschaftler von der EPFL, der Universität Kopenhagen und der Universität Shanghai haben einen bahnbrechenden Kupferkatalysator entwickelt, der in der Lage ist, Kohlendioxid in Acetaldehyd umzuwandeln, eine kritische Verbindung in der Herstellung. Diese Entwicklung stellt eine nachhaltige Alternative zu herkömmlichen, fossilen Brennstoffen dar.
Acetaldehyd, das für Produkte von Parfums bis Kunststoffen unverzichtbar ist, wird hauptsächlich durch den Wacker-Prozess hergestellt, der auf Ethylen aus der Petrochemie angewiesen ist. Angesichts wachsender Umweltbedenken sucht die chemische Industrie zunehmend nach umweltfreundlicheren Produktionsmethoden.
Der Wacker-Prozess, der vor über sechs Jahrzehnten etabliert wurde, ist ressourcenintensiv und hat einen erheblichen CO2-Fußabdruck. Der neue Katalysator geht diese Probleme an, indem er die elektrochemische Reduktion von CO2 ermöglicht, die nicht nur die Treibhausgasemissionen verringert, sondern auch wertvolle Chemikalien erzeugt.
Unter der Leitung von Cedric David Koolen entwickelte das Forschungsteam einen Kupferkatalysator, der eine beeindruckende Selektivität von 92% für Acetaldehyd erreicht. Diese Innovation, die in Nature Synthesis veröffentlicht wurde, könnte den veralteten Wacker-Prozess ersetzen und eine skalierbare sowie kosteneffektive Lösung für industrielle Anwendungen bieten.
Koolen bemerkte: "Der Wacker-Prozess hat sich in den letzten 60 Jahren praktisch nicht verändert. Er basiert immer noch auf derselben grundlegenden Chemie. Der Zeitpunkt für einen grünen Durchbruch war reif." Die Forschung umfasste die Synthese winziger Kupfercluster von etwa 1,6 Nanometern Größe durch eine Methode namens Funkenablation, die eine präzise Kontrolle der Partikelgröße ermöglicht.
Die Experimente des Teams zeigten, dass die Kupfercluster während elektrochemischer Reaktionen eine hohe Effizienz und Stabilität aufrechterhielten und bei niedriger Spannung eine Selektivität für Acetaldehyd erreichten. Diese Effizienz ist entscheidend für die Energieeinsparung.
Co-Autorin Wen Luo stellte fest: "Was uns wirklich überrascht hat, war, dass das Kupfer metallisch blieb, selbst nach der Entfernung des Potentials und der Exposition gegenüber Luft," und hob die Recycelbarkeit des Katalysators hervor, die durch eine Oxidschicht geschützt wird, die den Kern vor Oxidation schützt.
Computersimulationen zeigten, dass die einzigartige atomare Konfiguration der Kupfercluster die gewünschten chemischen Transformationen fördert. Co-Autor Jack K. Pedersen betonte die Vielseitigkeit dieses Ansatzes und erklärte: "Das Tolle an unserem Prozess ist, dass er auf jedes andere Katalysatorsystem angewendet werden kann." Dieses Rahmenwerk ermöglicht eine schnelle Überprüfung neuer Materialien zur CO2-Reduktion oder Wasser-Elektrolyse.
Dieser Kupferkatalysator stellt einen bedeutenden Fortschritt in der nachhaltigen Industriechemie dar. Bei größerem Maßstab könnte er die Abhängigkeit von petrochemischen Produkten reduzieren und die CO2-Emissionen senken, mit dem Potenzial, verschiedene Sektoren, einschließlich Pharmazie und Landwirtschaft, zu beeinflussen.