Das Northwestern-Team nutzte erstmals Licht und Wasser, um Acetylen in Ethylen umzuwandeln, eine weit verbreitete, äusserst wertvolle Chemikalie, die ein wichtiger Bestandteil von Kunststoffen ist.
Während diese Umwandlung normalerweise hohe Temperaturen und Drücke, brennbaren Wasserstoff und teure Metalle erfordert, um die Reaktion voranzutreiben, ist das der Photosynthese ähnliche Verfahren der Northwestern University wesentlich kostengünstiger und weniger energieintensiv. Das neue Verfahren ist nicht nur umweltfreundlich, sondern funktioniert auch unglaublich gut - es wandelt nahezu 100 % des Acetylens erfolgreich in Ethylen um.
"In der Industrie erfordert diese Methode energieintensive Prozesse, die hohe Temperaturen, eine externe Zufuhr von entflammbarem Wasserstoffgas und edelmetallhaltige Materialien erfordern, die teuer und schwer zu beschaffen sind", so Francesca Arcudi von Northwestern, Mitautorin der Studie. "Unsere neue Strategie löst all diese Probleme auf einmal. Sie funktioniert mit Licht und Wasser anstelle von hohen Temperaturen und Wasserstoff. Und anstelle von teuren Metallen verwenden wir natürlich vorkommende, preiswerte Materialien". Die daraus resultierende Strategie funktionierte erschreckend gut. Während das derzeitige industrielle Verfahren eine 90-prozentige Selektivität für Ethylen aufweist, erreicht der Ansatz von Northwestern eine 99-prozentige Selektivität für Ethylen. "Dies ist wichtig, weil es sich um eine Grundstoffchemikalie mit hohem wirtschaftlichem Wert handelt", so Luka Ðorđević von Northwestern, Mitautor der Studie. "Je mehr man ohne Abfall produzieren kann, desto besser." Die Studie wurde am 9. Juni 2022 in der Zeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht . Es ist der erste Bericht über die Verwendung von Licht zur Umwandlung von Acetylen in Ethylen durch Forscher.
Die Studie ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Emily Weiss und Samuel I. Stupp und ihrer gemeinsamen Arbeit im Rahmen des Center for Bio-Inspired Energy Science (CBES) an der Northwestern University. Weiss, Professorin für Chemie am Northwestern Weinberg College of Arts and Sciences, ist die korrespondierende Autorin der Studie. Arcudi ist Postdoktorand in Weiss' Labor. Ðorđević ist Postdoktorand in Stupps Labor. Stupp ist Kuratoriums-Professor für Materialwissenschaft und -technik, Chemie, Medizin und Biomedizinische Technik an der Northwestern University, mit Berufungen an das Weinberg College, die McCormick School of Engineering und die Northwestern University Feinberg School of Medicine. "Am CBES bemühen wir uns, grundlegende Herausforderungen anzugehen, indem wir uns von der Natur inspirieren lassen", sagte Stupp, der Direktor des CBES. "Vitamin B12, einer der wenigen natürlich vorkommenden metallorganischen Cofaktoren, wurde in dieser Arbeit als Inspirationsquelle für die Entwicklung unseres Katalysators genutzt."
Als Vorprodukt für 50-60 % aller Kunststoffe weltweit ist Ethylen ein begehrter Rohstoff. Um die ständig steigende Nachfrage nach der wertvollen Chemikalie zu befriedigen, stellt die Industrie jährlich mehr als 200 Millionen Tonnen Ethylen her. Um Ethylen zu erzeugen, verwenden Chemiker das Steamcracking, ein industrielles Verfahren, bei dem Ethan mit heissem Dampf in kleinere Moleküle aufgespalten wird, die dann zu Ethylen destilliert werden. Die dabei entstehende Chemikalie enthält jedoch eine geringe Menge Acetylen, eine Verunreinigung, die Katalysatoren deaktiviert und verhindert, dass Ethylen ordnungsgemäss in Kunststoff umgewandelt wird. Bevor das Ethylen in Kunststoff umgewandelt werden kann, muss das Acetylen entfernt oder in Ethylen umgewandelt werden.
"Die Entfernung oder Umwandlung von Acetylen, um reines Ethylen zu erhalten, ist ein Prozess, der in der Industrie gut bekannt ist", sagte Weiss. "Der Prozess hat viele Probleme, weshalb die Wissenschaft versucht hat, eine Alternative zu diesem Verfahren vorzuschlagen. Die Herstellung von Ethylen in Polymerqualität aus Kohlendioxid ist eine wünschenswerte Alternative, aber dieser Weg ist noch nicht weit genug entwickelt. Unsere Strategie ist ein erster und wichtiger Schritt zur Herstellung dieses wichtigen chemischen Grundstoffs mit dem geringstmöglichen Energieaufwand.
Insbesondere wird eine unglaubliche Menge an Energie benötigt, um die hohen Temperaturen und Drücke zu erreichen, die für eine erfolgreiche chemische Reaktion erforderlich sind. Ausserdem werden teure Katalysatoren aus Edelmetallen wie Palladium benötigt. Und da der Prozess auf Protonen aus Wasserstoff beruht, der aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird, entstehen grosse Mengen an Kohlendioxid.
Mit der Strategie von Northwestern werden all diese Probleme umgangen. Um Acetylen in Ethylen umzuwandeln, ersetzten die Northwestern-Chemiker den Palladium-Katalysator durch Kobalt, eine weniger teure und häufiger vorkommende Alternative. Ausserdem verwendeten sie Raumtemperatur und Umgebungsdruck. Anstelle von Wärme verwendeten sie sichtbares Licht. Und schliesslich ersetzten sie Wasserstoff durch einfaches Wasser als Protonenquelle.
Literatur
Arcudi, F., Ðorđević, L., Schweitzer, N. et al. Selective visible-light photocatalysis of acetylene to ethylene using a cobalt molecular catalyst and water as a proton source. Nat. Chem. (2022)
