#Neuer Katalysator für nachhaltige CO2-Umwandlung entwickelt

Acetaldehyd ist ein Grundrohstoff für viele Produkte. Bislang wird die Chemikalie über das ressourcenintensive Wacker-Verfahren hergestellt. Doch nun haben Forschende eine neue Art von Kupfer-Katalysator entwickelt, mit dem sich CO₂ wesentlich effizienter und umweltschonender in Acetaldehyd umwandeln lässt. Möglich macht dies eine spezielle Atomstruktur in den Kupferpartikeln. Damit könnten die Acetaldehyd-Produktion und viele weitere industrielle Prozesse nachhaltiger werden.

Acetaldehyd ist eine Chemikalie, die als Rohstoff für die Herstellung zahlreicher Alltagsprodukte nötig ist, von Parfüms über Farbstoffe und Medikamente bis hin zu Kunststoffen. Acetaldehyd selbst wird bislang überwiegend über das sogenannte „Wacker-Verfahren“ gewonnen, das sich in den letzten 60 Jahren praktisch nicht verändert hat. Dabei wird Ethylen aus Erdöl und Erdgas mit starken Säuren gemischt und mittels eines Palladium-Katalysators umgewandelt. Dieses Verfahren hat jedoch einen hohen CO₂-Fußabdruck, ist ressourcenintensiv und nicht nachhaltig.

Wissenschaftler suchen daher seit Längerem nach umweltfreundlicheren Wegen zur Herstellung von Acetaldehyd. Ein vielversprechender Ansatz ist dabei die elektrochemische Reduktion des Treibhausgases Kohlendioxid (CO₂) mithilfe von Katalysatoren auf Kupferbasis. Diese Verfahren erzeugen jedoch bisher nicht ausschließlich den gewünschten Acetaldehyd, sondern eine Mischung von mehreren Produkten.

Neuartiger Katalysator für mehr Effizienz

Nun haben Chemiker um Cedric Koolen von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) einen neuartigen Katalysator auf Kupferbasis entwickelt, der wesentlich effizienter ist. Dafür stellten die Forschenden zunächst aus Kupferelektroden winzige Cluster von Kupferpartikeln her, die jeweils nur etwa 1,6 Nanometer groß sind. Diese Kupfercluster befestigten sie dann auf einem Träger aus Kohlenstoff, um sie zu stabilisieren. Um die Leistung des neuen Katalysators zu testen, führten die Chemiker mit ihm in einer kontrollierten Umgebung eine Reihe elektrochemischer Reaktionen mit CO₂ durch und verglichen die Ausbeute.

Die Auswertung ergab, dass der neue Kupfer-Katalysator in diesem Prozess CO₂ mit einer Selektivität von 92 Prozent in Acetaldehyd umwandeln kann. Diese Leistung behielt der Katalysator zudem in einem 30-stündigen Stresstest über mehrere Zyklen bei. Die Kupfercluster waren obendrein stabil und benötigten für die chemische Reaktion nur eine relativ geringe Spannung und damit wenig Energie. Damit sind sie sowohl in der Herstellung als auch in der Anwendung kostengünstig.

Mit verschiedenen Spektroskopen stellten Koolen und seine Kollegen zudem überraschend fest, dass die Kupferpartikel während der gesamten Reaktion ihre metallische Natur behielten. „Das Kupfer blieb metallisch, selbst, nachdem das elektrische Potenzial entfernt und der Katalysator der Luft ausgesetzt wurde“, sagt Co-Autor Wen Luo von der Universität Shanghai. „Kupfer oxidiert normalerweise wie verrückt, besonders so kleine Kupferpartikel. In unserem Fall bildete sich jedoch eine Oxidhülle um das Cluster, die den Kern vor weiterer Oxidation schützte“, erklärt Luo. Durch diese Eigenschaft lässt sich der Katalysator recyclen und wiederverwenden.

Stabiler und wiederverwendbarer Katalysator dank Atomstruktur

Der neuartige Kupfer-Katalysator ist damit wesentlich stabiler und effizienter als bisherige Alternativen. Für die Herstellung von Acetaldehyd bedeutet die Entdeckung einen „grünen“ Durchbruch. Die Methode ist umweltfreundlicher und könnte das Wacker-Verfahren künftig ersetzen. Da Acetaldehyd ein Grundbaustein für viele andere Chemikalien ist, hat diese Forschung zudem das Potenzial, nachfolgend gleich mehrere Branchen zu verändern, von der Pharmazie bis zur Landwirtschaft, erklärt das Team.

Aber warum funktioniert der Kupfer-Katalysator so gut? Mit Computersimulationen fanden Koolen und seine Kollegen heraus, dass die Kupfercluster eine spezifische Konfiguration von Atomen aufweisen. Diese atomare Anordnung des Kupfers fördert die Bindung und Umwandlung von CO₂-Molekülen zu Acetaldehyd. Andere mögliche Produkte wie Ethanol oder Methan werden mit diesem Katalysator-Aufbau hingegen energetisch benachteiligt.

Dieses Prinzip lässt sich nun auf andere chemische Reaktionen und Katalysatoren übertragen, wie das Team berichtet. „Mit unseren Computersimulationen können wir Cluster schnell auf vielversprechende Eigenschaften untersuchen. Wir können das neue Material auch problemlos herstellen und direkt im Labor testen“, sagt Co-Autor Jack Pedersen von der Universität Kopenhagen. Somit könnten künftig wesentlich schneller neuartige Katalysatoren entwickelt werden.

Quelle: Cedric Koolen (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) et al.; Nature Synthesis, doi: 10.1038/s44160-024-00705-3

© wissenschaft.de – Claudia Krapp