Im Wettlauf um die Wiederverwendung von Kohlendioxid und die Eindämmung der Treibhausgasemissionen suchen Forscher nach Möglichkeiten, Abgase in nützliche Chemikalien umzuwandeln. Eine neue Studie der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago (UChicago PME) macht einen wichtigen Schritt in diese Richtung, indem sie aufzeigt, wie das mikroskopische Verhalten von Wasser diese chemischen Reaktionen beeinflusst.
Das Team zeigte, dass eine sorgfältige Steuerung der Anordnung von Wassermolekülen in organischen Lösungsmitteln die Produkte, die bei der elektrochemischen Umwandlung von Kohlenmonoxid entstehen, dramatisch verändert. Dadurch wird es möglich, die Reaktion in Richtung wertvoller Brennstoffe und Chemikalien wie Methan und Ethylen zu lenken – anstatt in Richtung unerwünschten Wasserstoffgases.
„Diese Erkenntnis eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Elektrolyten, mit denen Kohlendioxid und Kohlenmonoxid in nützliche Stoffe umgewandelt werden können“, sagte Chibueze Amanchukwu, Neubauer Family Assistant Professor of Molecular Engineering und leitender Autor der neuen Studie, die im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurde. „Es geht nicht nur darum, welche Chemikalien vorhanden sind, sondern auch darum, wie sie auf molekularer Ebene angeordnet sind.“
Vom Zufall zur Erkenntnis
Die Studie konzentrierte sich auf eine Reaktion, die als Kohlenmonoxid-Elektroreduktion bekannt ist und Teil eines umfassenderen Prozesses ist, bei dem das Treibhausgas Kohlendioxid in nützlichere chemische Rohstoffe umgewandelt wird. Bei diesem Prozess wird Kohlendioxid in der Regel in Kohlenmonoxid umgewandelt, um dann Chemikalien wie Ethylen und Methan herzustellen – die Bausteine vieler Industrieprodukte. Die meisten bisherigen Forschungen in diesem Bereich haben wasserbasierte Systeme zur Reduktion von Kohlenmonoxid verwendet, aber die Doktorandin Hannah Fejzić probierte etwas anderes aus: nichtwässrige Lösungsmittel wie Acetonitril und DMSO (Dimethylsulfoxid) in Kombination mit genau dosierten Mengen an Wasser.
Das Ziel war es, eine Nebenreaktion zu reduzieren, die als Wasserstoffentwicklung bekannt ist und mit der gewünschten brennstoffbildenden Reaktion konkurriert, indem sie neben dem gewünschten Produkt Wasserstoff erzeugt und die Effizienz der chemischen Reaktion verringert. „Was ich stattdessen sah, war interessanter – einige Lösungsmittel führten zur Bildung von Ethylen und Methan, andere nicht. Das brachte mich auf die Idee, herauszufinden, warum das so ist“, sagte Fejzić.
Mithilfe einer Kombination aus Spektroskopie, Molekularsimulationen und elektrochemischen Experimenten entdeckte das Team, dass Lösungsmittel wie Acetonitril dazu führen, dass sich Wassermoleküle zusammenballen, anstatt sich gleichmäßig zu verteilen. Diese „mikroheterogenen“ Wasserstrukturen ermöglichten die effiziente Bildung von Methan und Ethylen. Im Gegensatz dazu bildeten Lösungsmittel wie DMSO und DMF (N,N-Dimethylformamid) gleichmäßigere Gemische, in denen sich das Wasser fest mit dem Lösungsmittel verband und keine brauchbaren Brennstoffe produzierte. Als das Team die Wasseraktivität in den verschiedenen Lösungsmitteln maß, stellte es fest, dass Lösungsmittel mit höherer Wasseraktivität, wie Acetonitril, die Bildung hydrierter Produkte unterstützten, während solche mit niedrigerer Wasseraktivität, wie DMSO, dies nicht taten. „Dies ist eine der ersten Studien, die zeigt, wie die Mikrostruktur und Aktivität von Wasser in organischen Lösungsmitteln die elektrochemische Produktverteilung direkt beeinflussen kann“, sagte Fejzić.
Ein Weg zu nachhaltigen Kraftstoffen und Kunststoffen
Die neuen Daten zu mikroheterogenen Wasserstrukturen bauen auf anderen aktuellen Fortschritten beim Verständnis der Reaktivitätsveränderungen von Wasser in Gegenwart organischer Lösungsmittel auf. Ein besseres Verständnis dieser Vorgänge könnte über die Reduzierung von Kohlenmonoxid hinausgehende Auswirkungen haben. Fejzić arbeitet derzeit daran, diesen Ansatz direkt auf Kohlendioxid auszuweiten und eine größere Bandbreite an Lösungsmitteln zu testen, um die Reaktionsbedingungen weiter zu verfeinern. Letztendlich hofft sie, dass die Ergebnisse dazu beitragen, Systeme zu verbessern, die Kohlendioxid direkt in Kohlenwasserstoffe umwandeln – und damit sauberere Wege zur Erzeugung von Kraftstoffen und wichtigen Chemikalien wie Ethylen bieten, das derzeit aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird.
„Ethylen ist eine der gefragtesten Industriechemikalien der Welt“, sagte Fejzić. „Wenn wir es aus Kohlendioxid erneuerbar herstellen können, wäre das ein großer Schritt nach vorne.“ Sie hofft auch, dass der Weg zu ihren Schlussfolgerungen andere Chemiker dazu inspiriert, ihren Ergebnissen in neue Richtungen zu folgen. „Dieses Projekt war mit viel Ausprobieren verbunden“, sagte sie. „Es begann mit einer zufälligen Beobachtung, aber ich bin dem Faden weiter gefolgt, um das Phänomen besser zu verstehen. Ich hoffe, dass es andere Forscher dazu inspiriert, dasselbe zu tun – auch wenn das Ergebnis nicht das ist, was man erwartet hat, könnte es etwas Besseres sein.“
