Die internationale Zusammenarbeit von Wissenschaftlern hat innovative Methoden zur Umwandlung von Abfall in nützliche Materialien mithilfe von Elektrizität entwickelt. Die neueste Studie, die im Journal Nature Catalysis veröffentlicht wurde, zeigt, wie das Treibhausgas Kohlendioxid effektiv in flüssigen Brennstoff Methanol umgewandelt werden kann.

Forscher verwendeten Kobaltphthalocyanin (CoPc) Moleküle, die auf der Oberfläche von Kohlenstoffnanoröhren angeordnet waren, um die chemische Reaktion zu erleichtern. Durch das Leiten von elektrischem Strom durch die elektrolytische Lösung fingen CoPc-Moleküle Elektronen ein und verwandelten Kohlendioxid in Methanol. Mithilfe der in-situ Spektroskopie visualisierten sie die chemische Reaktion und verfolgten erstmals den Weg der Moleküle.

Verschiedene Reaktionspfade führen zur Bildung von Methanol oder Kohlenmonoxid, einem unerwünschten Nebenprodukt. Der entscheidende Faktor, der das Endprodukt bestimmt, ist die Umgebung, in der die Reaktion stattfindet. Durch die Kontrolle der Verteilung der CoPc-Katalysatoren auf der Oberfläche der Nanoröhren konnten die Forscher die Methanolproduktion um bis zu das Achtfache steigern.

Robert Baker, Professor für Chemie und Biochemie an der Ohio State University und Mitautor der Studie, betont die Bedeutung dieser Entdeckung: "Die Umwandlung von Kohlendioxid in Methanol ist besonders vorteilhaft aufgrund der hohen Energiedichte von Methanol, das als alternativer Brennstoff dienen kann."

Während die Bemühungen zur Umwandlung von Abfallmolekülen in nützliche Produkte schon lange andauern, ermöglichten frühere Ansätze nicht die Verfolgung des tatsächlichen Reaktionsverlaufs. "Empirische Optimierung liefert oft kein tiefes Verständnis dafür, was einen Katalysator besser macht als einen anderen," sagt Baker. "Neue Techniken und Computermodelle haben unser Verständnis komplexer Prozesse erheblich verbessert."

Der Hauptautor der Studie, Quansong Zhu, erklärt, wie eine neue Art der Vibrationsspektroskopie eine detaillierte Verfolgung molekularer Reaktionen auf der Oberfläche ermöglichte: "Anhand von Vibrationssignaturen konnten wir identifizieren, dass dasselbe Molekül in unterschiedlichen Umgebungen reagiert, was uns ermöglichte, bestimmte Umgebungen mit der Methanolproduktion zu verknüpfen."

Weitere Analysen zeigten, dass Moleküle direkt mit überladenen Kationen interagieren, was die Methanolbildung verstärkt. Diese Entdeckung ist der Schlüssel zur Entwicklung effizienterer Methoden zur Methanolherstellung. Baker betont die Notwendigkeit weiterer Forschungen, um alle Möglichkeiten, die Kationen bieten, vollständig zu verstehen.

Methanol, hergestellt aus erneuerbaren Energiequellen, hat eine breite Palette von Anwendungen. Neben der Tatsache, dass es ein wirtschaftlicher Brennstoff für Flugzeuge, Autos und Schiffe ist, kann es auch für Heizung, Energieerzeugung und Fortschritte in der zukünftigen chemischen Forschung verwendet werden. "Die Ergebnisse dieser Studie öffnen die Tür zu vielen aufregenden zukünftigen Untersuchungen," sagt Baker.

Zu den Mitautoren der Studie gehören Conor L. Rooney und Hailiang Wang von der Yale University, Hadar Shemu und Elad Gross von der Hebräischen Universität und Christina Zeng und Julien A. Panetier von der Binghamton University. Die Forschung wurde von der National Science Foundation und der Binationalen Wissenschaftsstiftung der Vereinigten Staaten und Israels (BSF) für internationale Zusammenarbeit unterstützt.

Darüber hinaus ermöglichen die neuen Erkenntnisse eine bessere Optimierung katalytischer Prozesse, was weitreichende Auswirkungen auf zahlreiche industrielle Anwendungen haben kann. Methanol, als Brennstoff mit hoher Energiedichte, bietet erhebliche Vorteile in Bezug auf Energiespeicherung und Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Durch die Nutzung erneuerbarer Elektrizität zur Methanolproduktion kann eine nachhaltigere Nutzung von Ressourcen und eine Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen erreicht werden.

Neben dem Energiesektor hat Methanol potenzielle Anwendungen in der chemischen Industrie als Rohstoff für die Herstellung verschiedener Chemikalien und Materialien. Die Entwicklung effizienter Methoden zur Umwandlung von Kohlendioxid in Methanol kann auch dazu beitragen, die CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu verringern, was im Kampf gegen den Klimawandel entscheidend ist.

Diese Studien sind erst der Anfang langfristiger Bemühungen zur Optimierung katalytischer Prozesse und zur Entwicklung neuer Technologien zur Umwandlung von Abfall in wertvolle Ressourcen. Die Fortsetzung der Forschung und die Zusammenarbeit unter Wissenschaftlern weltweit werden für weitere Fortschritte in diesem Bereich entscheidend sein.

Robert Baker und sein Team planen bereits weitere Studien, um die potenziellen Anwendungen dieser Entdeckungen weiter zu erforschen. "Es gibt viele aufregende Möglichkeiten, die untersucht werden müssen," sagt Baker. "Unsere bisherigen Ergebnisse sind sehr vielversprechend und wir freuen uns auf zukünftige Entdeckungen."

Die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Forschungseinrichtungen und die Unterstützung durch finanzielle Organisationen wie die National Science Foundation und die Binationalen Wissenschaftsstiftung der Vereinigten Staaten und Israels (BSF) spielen eine entscheidende Rolle bei der Ermöglichung dieser Forschung. Dank ihrer Unterstützung können Wissenschaftler weiterhin an innovativen Projekten arbeiten, die das Potenzial haben, erheblich zum nachhaltigen Entwicklung und Umweltschutz beizutragen.

Schließlich stellt die erfolgreiche Umwandlung von Kohlendioxid in Methanol einen bedeutenden Fortschritt bei der Nutzung von Abfall als Ressource und der Reduzierung von Treibhausgasemissionen dar. Die Fortsetzung der Forschung in diesem Bereich eröffnet neue Möglichkeiten zur Entwicklung nachhaltiger Technologien, die dazu beitragen können, unseren Planeten für zukünftige Generationen zu erhalten.

Quelle: Ohio State University