Forscher der Virginia Commonwealth University (VCU) haben einen wirksamen Katalysator für die thermochemische Umwandlung von Kohlendioxid in Ameisensäure entdeckt – eine Entdeckung, die eine neue, skalierbare Strategie zur Kohlenstoffabscheidung ermöglichen könnte, während die Welt mit dem Klimawandel zu kämpfen hat. Ein potenziell wichtiges Mittel zur Reduzierung des atmosphärischen Kohlendioxids.
„Es ist bekannt, dass der rasante Anstieg der Treibhausgase in der Atmosphäre und ihre schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt eine der größten Herausforderungen der Menschheit darstellen“, sagte der Hauptautor Dr. Shiv N. Khanna, emeritierter Commonwealth-Professor am Fachbereich Physik der Geisteswissenschaftlichen Fakultät der VCU. „Die katalytische Umwandlung von CO₂ in nützliche Chemikalien wie Ameisensäure (HCOOH) ist eine kostengünstige Alternative, um die negativen Auswirkungen von CO₂ zu mindern. Ameisensäure ist eine wenig toxische Flüssigkeit, die sich leicht transportieren und bei Umgebungstemperatur lagern lässt. Sie kann außerdem als hochwertiger chemischer Vorläufer, Wasserstoffspeicher und potenzieller zukünftiger Ersatz für fossile Brennstoffe eingesetzt werden.“
Hanna und der VCU-Forschungsphysiker Dr. Turbasu Sengupta entdeckten, dass gebundene Cluster von Metallchalkogeniden als Katalysatoren für die thermochemische Umwandlung von CO₂ in Ameisensäure fungieren können. Ihre Ergebnisse sind in einem Artikel mit dem Titel „Conversion of CO₂ to Formic Acid by Tuning Quantum States in Metal Chalcogenide Clusters“ beschrieben, der in Communications Chemistry of Nature Portfolio veröffentlicht wurde.
„Wir haben gezeigt, dass sich die Reaktionsbarriere für die Umwandlung von CO₂ in Ameisensäure durch die richtige Ligandenkombination deutlich senken und die Ameisensäureproduktion erheblich beschleunigen lässt“, sagte Hanna. „Daher gehen wir davon aus, dass diese Katalysatoren die Synthese von Ameisensäure vereinfachen oder praktikabler machen könnten. Die Verwendung größerer Cluster mit mehr Ligandenbindungsstellen oder die Anbindung effizienterer Donorliganden trägt dazu bei, dass die Ameisensäureumwandlung gegenüber den Ergebnissen der Computersimulationen weiter verbessert werden kann.“
Die Studie baut auf Hannas früheren Arbeiten auf, die zeigen, dass die richtige Wahl des Liganden einen Cluster in einen Superdonor, der Elektronen abgibt, oder in einen Akzeptor, der Elektronen aufnimmt, verwandeln kann.
„Wir zeigen nun, dass derselbe Effekt großes Potenzial für die Katalyse mit Metallchalkogenidclustern besitzt“, sagt Hanna. „Die Möglichkeit, stabile, gebundene Cluster zu synthetisieren und deren Fähigkeit zur Elektronenabgabe oder -aufnahme zu steuern, eröffnet ein neues Feld der Katalyse, da die meisten katalytischen Reaktionen auf Katalysatoren beruhen, die Elektronen abgeben oder aufnehmen.“
Einer der ersten experimentellen Wissenschaftler auf diesem Gebiet, Dr. Xavier Roy, außerordentlicher Professor für Chemie an der Columbia University, wird am 7. April anlässlich des Frühjahrssymposiums des Fachbereichs Physik die VCU besuchen.
„Wir werden mit ihm zusammenarbeiten, um zu sehen, wie wir mithilfe seines Labors einen ähnlichen Katalysator entwickeln und einsetzen können“, sagte Hanna. „Wir haben bereits eng mit seiner Arbeitsgruppe zusammengearbeitet, die ein neuartiges magnetisches Material synthetisiert hat. Diesmal wird er der Katalysator sein.“
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