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Ingenieure der Rice University wandeln Kohlenmonoxid direkt in Essigsäure (eine weit verbreitete Chemikalie, die Essig seinen starken Geschmack verleiht) um, indem sie einen kontinuierlichen katalytischen Reaktor nutzen, der effizient erneuerbaren Strom verwenden kann, um hochreine Produkte herzustellen.
Das elektrochemische Verfahren im Labor der Chemie- und Bioingenieure der Brown School of Engineering der Rice University hat das Problem bisheriger Versuche gelöst, Kohlenmonoxid (CO) zu Essigsäure zu reduzieren. Diese Verfahren erfordern zusätzliche Schritte zur Produktreinigung.
Der umweltfreundliche Reaktor verwendet nanometergroßes kubisches Kupfer als Hauptkatalysator und einen einzigartigen Festelektrolyten.
Nach 150 Stunden kontinuierlichem Laborbetrieb betrug der Essigsäuregehalt der mit dieser Anlage erzeugten wässrigen Lösung bis zu 2 %. Die Reinheit der Säurekomponente liegt bei bis zu 98 %, was deutlich besser ist als die der Säurekomponente, die bei früheren Versuchen zur katalytischen Umwandlung von Kohlenmonoxid in flüssigen Kraftstoff gewonnen wurde.
Essigsäure wird in der Medizin, zusammen mit Essig und anderen Lebensmitteln, als Konservierungsmittel eingesetzt. Sie dient als Lösungsmittel für Tinten, Farben und Lacke; bei der Herstellung von Vinylacetat ist Vinylacetat der Vorläufer von gewöhnlichem Weißleim.
Das Rice-Verfahren basiert auf einem Reaktor in Wangs Labor und produziert Ameisensäure aus Kohlendioxid (CO₂). Diese Forschung legte einen wichtigen Grundstein für Wang (der kürzlich zum Packard Fellow ernannt wurde), der von der National Science Foundation (NSF) ein Stipendium in Höhe von 2 Millionen US-Dollar erhielt, um weiterhin Wege zur Umwandlung von Treibhausgasen in flüssige Kraftstoffe zu erforschen.
Wang erklärte: „Wir stellen unsere Produkte von einer einkohlenstoffhaltigen chemischen Substanz wie Ameisensäure auf eine zweikohlenstoffhaltige chemische Substanz um, was eine größere Herausforderung darstellt.“ „Traditionell wird Essigsäure in flüssigen Elektrolyten hergestellt, doch diese weisen nach wie vor unbefriedigende Eigenschaften auf, und es besteht das Problem der Elektrolyttrennung.“
Senftle fügte hinzu: „Essigsäure wird natürlich üblicherweise nicht aus CO oder CO2 synthetisiert.“ „Genau darum geht es: Wir absorbieren das Abgas, dessen Menge wir reduzieren wollen, und wandeln es in nützliche Produkte um.“
Es wurde eine sorgfältige Kopplung zwischen dem Kupferkatalysator und dem Festelektrolyten durchgeführt, wobei der Festelektrolyt aus dem Ameisensäurereaktor überführt wurde. Wang erklärte: „Kupfer kann Chemikalien manchmal über zwei verschiedene Reaktionswege produzieren.“ „Es kann Kohlenmonoxid zu Essigsäure und Alkohol reduzieren. Wir haben einen Würfel mit einer Fläche entwickelt, die die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kopplung steuert, und die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kopplung an den Kanten führt zu Essigsäure und nicht zu anderen Produkten.“
Senftle und sein Team nutzten ein Computermodell, um die Würfelform zu verfeinern. Er erklärte: „Wir können die Kantenstruktur des Würfels aufzeigen, die im Wesentlichen gewellte Oberflächen aufweist. Diese helfen, bestimmte CO-Bindungen aufzubrechen, sodass das Produkt auf die eine oder andere Weise manipuliert werden kann.“ Mehr Kantenstellen tragen dazu bei, die richtige Bindung zum richtigen Zeitpunkt zu lösen.
Senftler erklärte, das Projekt sei ein gutes Beispiel dafür, wie Theorie und Experiment miteinander verknüpft werden sollten. Er sagte: „Von der Integration der Komponenten im Reaktor bis hin zum Mechanismus auf atomarer Ebene ist dies ein gutes Beispiel für die vielfältigen Ebenen der Ingenieurskunst.“ „Es passt zum Thema der molekularen Nanotechnologie und zeigt, wie wir diese auf reale Geräte übertragen können.“
Wang sagte, der nächste Schritt bei der Entwicklung eines skalierbaren Systems bestehe darin, die Stabilität des Systems zu verbessern und den für den Prozess benötigten Energieaufwand weiter zu reduzieren.
Die Rice University-Absolventen Zhu Peng, Liu Chunyan und Xia Chuan sowie J. Evans Attwell-Welch, ein Postdoktorand, sind die Hauptverantwortlichen für die Veröffentlichung.
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