Nanokohlenstoff-Katalysatordesign eröffnet neue Möglichkeiten für die Produktion nachhaltiger Kraftstoffzusätze

Autoabgase aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe sind eine Hauptquelle für Luftschadstoffe wie Kohlendioxid und Kohlenmonoxid. Um die Luftverschmutzung zu verringern, untersuchen Forscher Kraftstoffzusätze wie Dimethoxymethan (DMM). Die Produktion von DMM bringt jedoch ihre eigenen Umweltrisiken mit sich.

In ihrem am 21. Juni veröffentlichten Artikel in Kohlenstoff-Zukunfthat ein chinesisches Forschungsteam gezeigt, wie eine Reihe von phosphormodifizierten Nanokohlenstoffkatalysatoren die umweltfreundliche DMM-Produktion voranbringen könnte.

Zu den einzigartigen Kraftstoffeigenschaften dieses Diesel-Mischkraftstoffs gehören ein hoher Sauerstoffgehalt und chemische Stabilität sowie geringe Toxizität. Eine Mischung aus DMM und herkömmlichen Dieselkraftstoffen reduziert die Rußbildung nachweislich um bis zu 80 %.

Kommerziell wird DMM in einem etablierten zweistufigen Verfahren hergestellt, bei dem zunächst Methanol oxidiert wird, um Formaldehyd zu bilden, und anschließend mit Methanol gekoppelt wird. Dieser herkömmliche Syntheseweg ist jedoch aufgrund der komplizierten Reaktionssequenzen und der Verwendung gefährlicher saurer Katalysatoren komplex und umweltschädlich.

Um diese Nachteile zu überwinden, haben Forscher alternative Methoden zur Herstellung von DMM erforscht. Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, nichtmetallische Nanokohlenstoffmaterialien als Katalysator zu verwenden, die die Herstellung von DMM in einem Schritt ermöglichen.

In den letzten Jahren haben sich nichtmetallische Katalysatoren auf Basis von Nanokohlenstoffen als nachhaltige und zuverlässige Alternativen zu den Metallkatalysatoren herausgestellt, die traditionell als Träger bei chemischen Reaktionen verwendet werden.

„Die einstufige Synthese von DMM durch selektive Oxidation von Methanol unter Katalyse von Nanokohlenstoff ist ein umweltfreundlicher und nachhaltiger, aber anspruchsvoller chemischer Prozess“, sagte Wei Qi von der University of Science and Technology of China. „Nanokohlenstoffmaterialien haben in verschiedenen katalytischen Reaktionen eine bemerkenswerte Aktivität und Stabilität gezeigt.“

Um jedoch eine einstufige Synthese von DMM durch Methanolumwandlung zu erreichen, muss ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Redox (Oxidations-Reduktions-Reaktion) und sauren Stellen gefunden werden, und hinsichtlich der Nanokohlenstoffkatalysatoren sind noch viele Fragen unbeantwortet.

So wird beispielsweise die Leistung von Nanokohlenstoffmaterialien maßgeblich durch funktionelle Gruppen auf der Oberfläche beeinflusst. Bisher weisen Nanokohlenstoffmaterialien jedoch unkontrollierbare funktionelle Gruppen auf der Oberfläche auf, was die Identifizierung aktiver Stellen für verschiedene Reaktionstypen erschwert.

Aktuelle Studien haben gezeigt, dass durch die Modifizierung von Nanokohlenstoffen mit nichtmetallischen Heteroatomen die Oberflächeneigenschaften und die Redox-/Säurekatalyseaktivität wirksam angepasst werden können, um hocheffiziente und selektive synthetische DMM-Verfahren zu erreichen.

Das chinesische Forschungsteam baute diesen Forschungszweig weiter aus und bereitete eine Reihe von phosphormodifizierten Kohlenstoffkatalysatoren für die einstufige Synthese von DMM aus Methanol vor.

Mit diesem Ansatz erreichte das Team gleichzeitig eine hohe Methanolumwandlung und DMM-Bildungsrate.

Durch umfassende Charakterisierung und entsprechende Kontrollexperimente ergaben ihre Untersuchungen, dass die kovalente Bindung von Phosphor und Nanokohlenstoff (nämlich eine Bindung, bei der sich ein Kohlenstoffatom und ein Phosphoratom ein Elektronenpaar teilen) ein Schlüsselfaktor für eine hohe DMM-Selektivität ist, die wiederum auf die Effizienz und Präzision hinweist, mit der ein Katalysator Rohstoffe in Kraftstoffzusatzprodukte umwandelt.

„Diese Arbeit lieferte nicht nur einen neuartigen und nachhaltigen kohlenstoffbasierten Katalysator für die einstufige Synthese von DMM, sondern auch tiefe Einblicke in das rationale Design von Nanokohlenstoffkatalysatoren für verwandte Reaktionssysteme“, sagte Qi.

Ihre Veröffentlichung lieferte eine neue Idee für die Entwicklung neuartiger Nanokohlenstoffmaterialien sowie eines potenziellen grünen Katalysators für die effiziente selektive Umwandlung von Methanol in DMM.

Zu den weiteren Mitwirkenden zählen Xueya Dai, Pengqiang Yan, Yunli Bai und Miao Guo vom Institut für Metallforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Dai und Bai sind außerdem mit der University of Science and Technology of China verbunden.