Nachhaltigkeit zu erreichen ist heute eine der dringendsten Herausforderungen der Menschheit – und auch eine der schwierigsten. Um unsere Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren und den Schaden, den die Menschheit bereits verursacht hat, wiedergutzumachen, ist das Streben nach CO2-Neutralität bei möglichst vielen Wirtschaftsaktivitäten von größter Bedeutung. Leider verursacht die Synthese vieler wichtiger Chemikalien immer noch hohe Kohlenstoffemissionen.
Dies ist der Fall bei Acetylen (C2H2), einem essentiellen Kohlenwasserstoff mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Dieses leicht entzündliche Gas wird zum Schweißen, industriellen Schneiden, Metallhärten, Wärmebehandlungen und anderen industriellen Prozessen verwendet. Darüber hinaus ist es ein wichtiger Vorläufer bei der Herstellung von Kunstharzen und Kunststoffen, darunter auch PVC. Da für die Herstellung von C2H2 fossile Brennstoffe als Rohstoff benötigt werden, ist eine umweltfreundlichere Syntheseroute dringend erforderlich.
Vor diesem Hintergrund hat ein Forschungsteam auf der Grundlage einer Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie zwischen der Doshisha-Universität und Daikin Industries, Ltd., Japan, eine neue und vielversprechende Strategie zur Herstellung von C2H2 unter Verwendung von Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) als Rohmaterial entwickelt Materialien.
An ihrer neuesten Studie beteiligten sich Assistenzprofessor Yuta Suzuki vom Harris Science Research Institute und Professor Takuya Goto vom Department of Science of Environment and Mathematical Modeling der Graduate School of Science and Engineering, beide an der Doshisha University, sowie Tomohiro Isogai vom Technology and Innovation Center bei Daikin Industries Ltd. ist veröffentlicht In ACS Nachhaltige Chemie und Technik.
Der vorgeschlagene Ansatz basiert auf der elektrochemischen und chemischen Umwandlung von CO2 in C2H2 unter Verwendung von Hochtemperatur-Salzschmelzen, nämlich Chloridschmelzen. Ein wichtiger Aspekt des Prozesses besteht darin, dass Metallcarbide, bei denen es sich um Feststoffe aus Kohlenstoffatomen und Metallatomen handelt, als Dreh- und Angelpunkt bei der Umwandlung genutzt werden.
„Bei unserer Strategie wird CO2 zunächst in Metallkarbide wie CaC2 und Li2C2 umgewandelt, die sich auf einer der Elektroden ablagern“, erklärt Dr. Suzuki. „Dann reagieren diese Metallkarbide mit H2O und erzeugen C2H2-Gas.“
Um mit dieser Methode eine höhere Energieeffizienz zu erzielen, musste das Team verschiedene Konfigurationen testen, darunter verschiedene Elektrodenmaterialien und Zusammensetzungen geschmolzenen Salzes. Nach einer Reihe umfassender Experimente, darunter Cyclovoltammetrie, Kohlenstoffkristallinitätsanalyse und Röntgenbeugung, stellten sie fest, dass eine mit zusätzlichem CaCl2 gesättigte NaCl-KCl-CaCl2-CaO-Schmelze in einer CO2-Atmosphäre die besten Ergebnisse lieferte. Diese besondere Schmelze führte zur selektiven Bildung von CaC2 um die Kathode herum, wodurch bessere Ergebnisse erzielt wurden als bei Schmelzen mit Lithium.
Diese innovative Strategie bietet wichtige Vorteile gegenüber herkömmlichen Synthesewegen für C2H2. Erstens können die Elektroden nach einer einfachen Aufbereitungsbehandlung wiederverwendet werden, da die gewünschte Reaktion auf den abgeschiedenen Metallkarbiden und nicht direkt auf den Elektrodenoberflächen stattfindet. Ein weiterer und vielleicht bemerkenswertester Vorteil ist die direkte Nutzung von CO2 als Ausgangsstoff zur Herstellung einer industriell nützlichen und wertvollen Chemikalie.
„Der vorgeschlagene Ansatz stellt eine vielversprechende Technologie zur Verwirklichung eines nachhaltigen Ressourcen- und Energiekreislaufs dar, ohne auf fossile Brennstoffe angewiesen zu sein“, sagt Prof. Goto. „In Zukunft könnte dieselbe Technik als Technologie zur CO2-negativen Emission eingesetzt werden, indem Kohlendioxid aus der Luft extrahiert und als Rohstoff verwendet wird, insbesondere in Kombination mit Direct-Air-Capture-Verfahren.“
Mit etwas Glück wird die weitere Forschung zu dieser spannenden Methode sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch tragfähige Wege zur Herstellung wichtiger Harze und Chemikalien aus CO2 hervorbringen und so den Weg zu nachhaltigen Gesellschaften ebnen. Letztlich würden uns diese Bemühungen ermöglichen, im Einklang mit der Umwelt zu leben und gleichzeitig viele der positiven Aspekte unserer modernen Lebensweise zu bewahren.
Mehr Informationen:
Yuta Suzuki et al., Neuer Weg der Acetylensynthese durch elektrochemische Bildung von Metallcarbiden aus CO2 in Chloridschmelzen, ACS Nachhaltige Chemie und Technik (2024). DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c08139