
Acetaldehyd ist eine wichtige Chemikalie, die bei der Herstellung zahlreicher Produkte von Parfüms bis hin zu Kunststoffen verwendet wird. Heute beruht seine Herstellung größtenteils auf Ethylen, einem petrochemischen Produkt. Wachsende Umweltbedenken zwingen die chemische Industrie jedoch dazu, ihre Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Wissenschaftler suchten daher nach umweltfreundlicheren Möglichkeiten, Acetaldehyd zu produzieren.
Derzeit wird Acetaldehyd durch das sogenannte Wacker-Verfahren hergestellt. Dabei handelt es sich um eine Methode der chemischen Synthese, bei der Ethylen aus Erdöl und Erdgas zusammen mit anderen Chemikalien wie starken Säuren, d. h. Salzsäure, verwendet wird. Das Wacker-Verfahren hat nicht nur einen großen CO2-Fußabdruck, sondern ist auch ressourcenintensiv und langfristig nicht nachhaltig.
Eine vielversprechende Lösung für dieses Problem ist die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid (CO2) zu nützlichen Produkten. Da CO2 ein Abfallprodukt ist, das zur globalen Erwärmung beiträgt, werden mit diesem Ansatz zwei Umweltprobleme gleichzeitig angegangen: Es werden die CO2-Emissionen reduziert und wertvolle Chemikalien geschaffen.
Ein innovativer Katalysator für mehr Effizienz
Kupferkatalysatoren haben ihr Potenzial für diese Umwandlung gezeigt, aber bisher hatten sie mit einer geringen Selektivität zu kämpfen, was bedeutet, dass sie eher ein Gemisch von Produkten als den gewünschten Acetaldehyd erzeugen.Heute haben Wissenschaftler eines Öffentlich-privaten Konsortiums unter der Leitung von Cedric David Koolen aus dem Team von Andreas Züttel von der EPFL, Jack K. Pedersen von der Universität Kopenhagen und Wen Luo von der Universität Shanghai entwickelten einen neuen Katalysator auf Kupferbasis, der CO2 mit einer beeindruckenden Effizienz von 92 % selektiv in Acetaldehyd umwandeln kann.

Dieser in Nature Synthesis veröffentlichte Durchbruch bietet eine umweltfreundlichere und nachhaltigere Art der Acetaldehydherstellung und könnte das Wacker-Verfahren ersetzen. Darüber hinaus ist der Katalysator skalierbar und kostengünstig, was den Weg für potenzielle industrielle Anwendungen ebnet.
"Das Wacker-Verfahren hat sich in den letzten 60 Jahren nicht verändert. Es basiert immer noch auf der gleichen Grundchemie. Es war an der Zeit, einen Schritt nach vorne zu machen, hin zu einem umweltfreundlicheren Verfahren", erklärt Cedric David Koolen.
"Eine faszinierende Chemie"
Die Forscherinnen und Forscher synthetisierten zunächst winzige Cluster von Kupferpartikeln, die jeweils etwa 1,6 Nanometer groß waren, mithilfe einer Methode, die als Funkenablation bezeichnet wird. Bei dieser Technik werden Kupferelektroden in einer gasförmigen Umgebung verdampft. Sie ermöglichte es den Wissenschaftlern, die Größe der Partikel genau zu kontrollieren. Die Kupfercluster wurden dann auf Kohlenstoffträgern immobilisiert, um einen stabilen und wiederverwendbaren Katalysator herzustellen.
Im Labor testete das Team die Leistung des Katalysators, indem es ihn einer Reihe von elektrochemischen Reaktionen mit CO2 in einer kontrollierten Umgebung unterzog. Mithilfe eines Synchrotrons - einer Großanlage, die eine sehr helle Lichtquelle erzeugt - stellte das Team sicher, dass die Kupfercluster CO#x#sub#x2 aktiv in Acetaldehyd umwandelten, und zwar mithilfe einer Technik, die als Röntgenabsorptionsspektroskopie bezeichnet wird.

Die Ergebnisse waren bemerkenswert. Die Kupfercluster erreichten bei einer relativ niedrigen Spannung eine Selektivität von 92 % für Acetaldehyd, was für die Energieeffizienz von entscheidender Bedeutung ist. In einem 30-stündigen Stresstest zeigte der Katalysator eine hohe Stabilität und behielt seine Leistung über mehrere Zyklen hinweg bei. Die Forscherinnen und Forscher stellten außerdem fest, dass die Kupferpartikel während der gesamten Reaktion ihre metallische Natur beibehielten, was zur Langlebigkeit des Katalysators beiträgt.
"Was uns wirklich überrascht hat, ist, dass das Kupfer metallisch bleibt, selbst nachdem das Potenzial entfernt und es der Luft ausgesetzt wurde", erklärt Co-Leitautor Wen Luo. "Normalerweise oxidiert Kupfer übermäßig, besonders wenn es so klein ist. Aber in unserem Fall bildete sich eine Oxidhülle um den Cluster, die den Kern vor weiterer Oxidation schützte. Und das erklärt die Wiederverwertbarkeit des Materials. Eine faszinierende Chemie".
Die Schlüssel zum Erfolg
Warum hat der neue Katalysator so gut funktioniert? Computersimulationen haben gezeigt, dass die Kupfercluster eine spezifische Atomkonfiguration aufweisen, die es den CO2-Molekülen ermöglicht, sich zu binden und sich in einer Weise umzuwandeln, die die Produktion von Acetaldehyd gegenüber anderen möglichen Produkten wie Ethanol oder Methan begünstigt."Der Vorteil unseres Verfahrens ist, dass es auf jedes andere Katalysatorsystem angewendet werden kann", sagt Jack K. Pedersen, Co-Hauptautor. "Mithilfe unseres Computerrahmens können wir die Cluster schnell nach vielversprechenden Eigenschaften durchsuchen. Ob es sich nun um die Reduktion von CO#x#sub#x2 oder die Elektrolyse von Wasser handelt, mithilfe der Funkenablation können wir das neue Material einfach herstellen und direkt im Labor testen. Das geht viel schneller als der übliche Zyklus Testen - Lernen - Wiederholen".
Der neue Kupferkatalysator ist ein wichtiger Schritt hin zu einer umweltfreundlicheren industriellen Chemie. Wenn er in größerem Maßstab ausgeweitet wird, könnte er das Wacker-Verfahren ersetzen und so den Bedarf an petrochemischen Produkten und die CO2-Emissionen verringern. Da Acetaldehyd ein Baustein vieler anderer Chemikalien ist, könnte diese Forschung für viele Branchen von Nutzen sein, von Pharmazeutika bis hin zur Landwirtschaft.