Kohlendioxidabfall in Kohlenstoffbausteine umwandeln
Fossile Brennstoffe sind nicht nur eine endliche Ressource, sie stoßen auch häufig Kohlendioxid-Gase (CO2) aus, die den Klimawandel verursachen. Diese beiden Faktoren schaffen neue Herausforderungen für die Industrie im Bereich der organischen Chemie, die auf fossile Brennstoffe als Material für ihre industriellen Prozesse angewiesen ist. Obwohl CO2-Abfallprodukte als Kohlenstoffbaustein zur Produktion organischer chemischer Erzeugnisse recycelt werden können, lässt sich CO2 thermodynamisch und kinetisch nur schwer umwandeln. Bevor CO2 durch Recycling als Rohstoff – oder Ausgangsstoff – verwendet werden kann, muss ein einfacher Umwandlungsprozess entwickelt werden. Genau dies wurde im Rahmen des EU-finanzierten Projekts CO2Recycling (A Diagonal Approach to CO2 Recycling to Fine Chemicals) getan. Unter Nutzung des sogenannten „diagonalen Ansatzes“ wurden über das Projekt neuartige katalytische Umwandlungen entworfen, bei denen die CO2-Reaktion in nur einem einzigen Schritt erfolgt. Mithilfe eines funktionalisierenden Reagens (Substanzen oder Stoffe, die einem System beigemengt werden, um eine chemische Reaktion zu verursachen) und eines Reduktionsmittels, das sich unabhängig modifizieren lässt, kann durch den Prozess ein großes Spektrum an Molekülen produziert werden. „Der CO2Recycling-Prozess ermöglicht die Verwendung von CO2 für die Synthese von Aminen, Estern und Amiden – die alle bislang aus fossilen Brennstoffen gewonnen wurden“, erklärt Thibault Cantat, Projektkoordinator von CO2Recycling. „Diese Materialien können als Ausgangsstoff für die Produktion von so wichtigen Molekülen wie Methylaminen, Acrylamid, und Methyladipinsäure verwendet werden.“
Die CO2-Umwandlung verstehen
Unter Verwendung von molekularen Katalysatoren zur Aktivierung von CO2 und/oder geeigneten Reduktionsmitteln (Hydrosilane, Hydroborane, Ameisensäure), entdeckten die Forscher neue katalytische Umwandlungen, im Zuge derer CO2 – zum ersten Mal – in Methylamine umgewandelt wurde. Die Forscher demonstrierten zudem die Bildung von Estern und Polyestern aus der Reaktion zwischen CO2 und Organosilanen. Zur Erzeugung von Harnstoff, Karbonsäuren und Methanol entschlüsselte das Projekt zudem einen Umwandlungsprozess, der bislang lediglich unter Verwendung von petrochemischen Erzeugnissen möglich gewesen war. Laut Cantat haben diese Ergebnisse unser Verständnis von der CO2-Aktivierung und -Umwandlung verbessert und wertvolle Einblicke in die grundlegenden Wirkmechanismen von Organokatalysatoren in der Reduktionschemie geliefert. „Das CO2Recycling-Projekt demonstrierte, dass der diagonale Ansatz eine allgemeine Strategie für die effiziente Herstellung funktionaler Chemikalien aus CO2 ist“, sagt Cantat. „Die Ergebnisse sind einfach übertragbar und haben zahlreiche praktische Anwendungszwecke. Grundchemikalien wie beispielsweise Methylamine, Ester und Aldehyde wurden bereits unter Verwendung von CO2 erstellt.“
Eine nachhaltige chemische Industrie
Das CO2Recycling-Projekt hat zu zwölf Patentanträgen in Bezug auf die CO2-Umwandlung und, indirekt, in Bezug auf die Produktion von Dihydrogen sowie die Umwandlung von Kohlenmonoxid geführt. Darüber hinaus werden mehrere Nachwuchsforschende ausgebildet, von denen sieben Postdoktoranden und Doktoranden jetzt eine Laufbahn als Professoren sowie Forscherinnen und Forscher eingeschlagen haben. CO2Recycling war jedoch lediglich der Ausgangspunkt für ein lange währendes Forschungsprogramm, das darauf abzielt, die wissenschaftlichen Herausforderungen bei der Nutzung erneuerbarer Kohlenstoff-Ausgangsstoffe (CO2, Biomasse und Kunststoffabfall) zu entschlüsseln, um die Nachhaltigkeit der chemischen Industrie zu verbessern. „Ich freue mich, dass das Projekt den Grundstein gelegt hat, mit dem wir diese Vision weiter erforschen können und dass unsere Arbeit jetzt mit Unterstützung eines ERC Consolidator Grant fortgeführt werden kann“, merkt Cantat an.
Schlüsselbegriffe
CO2Recycling, CO2, Kohlenstoff, Recycling, chemische Industrie, fossile Brennstoffe, Klimawandel, organische Chemie, petrochemische Erzeugnisse
