Chemiker der National University of Singapore (NUS) haben eine nachhaltige Methode zur Elektrosynthese von 1,3-Butadien, einem Ausgangsstoff für die Herstellung von Synthesekautschuk, aus Acetylen entwickelt.
Die Senkung des Energiebedarfs und der Umweltauswirkungen der Herstellung von Multi-Kohlenstoff-Molekülen ist für die Weiterentwicklung einer nachhaltigeren chemischen Industrie von entscheidender Bedeutung.
Ein zentraler Ansatz ist die Elektrifizierung, bei der erneuerbarer Strom genutzt wird, um einfache Rohstoffe wie Wasser und Kohlendioxid (CO2) in wertvolle Chemikalien und Kraftstoffe umzuwandeln.
Um dies zu erreichen, müssen klare Zielmoleküle und effiziente Synthesewege identifiziert werden. Ein solches Ziel ist 1,3-Butadien. Heute fällt 1,3-Butadien als Nebenprodukt neben Ethylen beim energieintensiven Cracken von Naphtha oder Ethan an. Dennoch werden jährlich mehr als 18 Millionen Tonnen dieses wichtigen Rohstoffs produziert.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Yeo Boon Siang und Jason vom Department of Chemistry der NUS hat herausgefunden, dass Kupferkatalysatoren nach einer einfachen Modifikation mit Iodidanionen hocheffizient bei der Umwandlung von Acetylen in 1,3-Butadien sind. Die Ergebnisse waren veröffentlicht im Tagebuch Naturkatalyse.
Der Katalysator war in der Lage, 1,3-Butadien mit einem Faradayschen Wirkungsgrad von 93 % bei –0,85 V gegenüber der Standard-Wasserstoffelektrode (SHE) und einer Teilstromdichte von –75 mA cm-2 bei –1,0 V gegenüber SHE zu produzieren.
Die Teilstromdichte von 1,3-Butadien, ein Indikator für die katalytische Aktivität, war mindestens 20-mal höher als in früheren Studien berichtet.
Diese Forschung wurde in Zusammenarbeit mit Dr. Federico CALLE-VALLEJO von der Basque Foundation for Science und der Universität des Baskenlandes, beide in Spanien, durchgeführt.
Zum Team gehörten außerdem Dr. Wei Jie Teh vom Fachbereich Chemie der NUS, Herr Eleonora Romeo und Professor Francesc Illas von der Universität Barcelona, Spanien, Dr. Ben Rowley von Shell Global Solutions International BV und Dr. Shibo Xi von das Institut für Nachhaltigkeit in Chemie, Energie und Umwelt, Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung.
Eine umfassende Charakterisierung des Katalysators mithilfe von In-situ-Spektroskopien und Computersimulationen mithilfe der Dichtefunktionaltheorie ergab, dass Iodid stabile Ensembles neutraler und teilweise oxidierter Cu-Zentren (Cuδ+–Cu0-Zentren) fördert, die die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kopplung (C–C) verstärken *C2H3-Zwischenprodukte zur Bildung von 1,3-Butadien.
Prof. Yeo sagte: „Diese Arbeit ist das Ergebnis einer intensiven Zusammenarbeit zwischen Experimentatoren und Theoretikern zusammen mit unserem Industriepartner, um herauszufinden, wie wichtige Chemikalien wie 1,3-Butadien nachhaltiger produziert werden könnten.“
Aufbauend auf den Forschungsergebnissen aus ihrer Arbeit plant das Forscherteam die Entwicklung von Katalysatoren, die Acetylen in längerkettige Kohlenwasserstoffe koppeln können, die möglicherweise als Flugtreibstoff verwendet werden könnten.
Weitere Informationen:
Wei Jie Teh et al., Selektive Elektroreduktion von Acetylen zu 1,3-Butadien an Iodid-induzierten Cuδ+–Cu0-Stellen, Naturkatalyse (2024). DOI: 10.1038/s41929-024-01250-0