Acetaldehyd ist eine Chemikalie, die als Rohstoff für die Herstellung zahlreicher Alltagsprodukte nötig ist, von Parfüms über Farbstoffe und Medikamente bis hin zu Kunststoffen. Acetaldehyd selbst wird bislang überwiegend über das sogenannte „Wacker-Verfahren“ gewonnen, das sich in den letzten 60 Jahren praktisch nicht verändert hat. Dabei wird Ethylen aus Erdöl und Erdgas mit starken Säuren gemischt und mittels eines Palladium-Katalysators umgewandelt. Dieses Verfahren hat jedoch einen hohen CO2-Fußabdruck, ist ressourcenintensiv und nicht nachhaltig.
Wissenschaftler suchen daher seit Längerem nach umweltfreundlicheren Wegen zur Herstellung von Acetaldehyd. Ein vielversprechender Ansatz ist dabei die elektrochemische Reduktion des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) mithilfe von Katalysatoren auf Kupferbasis. Diese Verfahren erzeugen jedoch bisher nicht ausschließlich den gewünschten Acetaldehyd, sondern eine Mischung von mehreren Produkten.
Neuartiger Katalysator für mehr Effizienz
Nun haben Chemiker um Cedric Koolen von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) einen neuartigen Katalysator auf Kupferbasis entwickelt, der wesentlich effizienter ist. Dafür stellten die Forschenden zunächst aus Kupferelektroden winzige Cluster von Kupferpartikeln her, die jeweils nur etwa 1,6 Nanometer groß sind. Diese Kupfercluster befestigten sie dann auf einem Träger aus Kohlenstoff, um sie zu stabilisieren. Um die Leistung des neuen Katalysators zu testen, führten die Chemiker mit ihm in einer kontrollierten Umgebung eine Reihe elektrochemischer Reaktionen mit CO2 durch und verglichen die Ausbeute.
Die Auswertung ergab, dass der neue Kupfer-Katalysator in diesem Prozess CO2 mit einer Selektivität von 92 Prozent in Acetaldehyd umwandeln kann. Diese Leistung behielt der Katalysator zudem in einem 30-stündigen Stresstest über mehrere Zyklen bei. Die Kupfercluster waren obendrein stabil und benötigten für die chemische Reaktion nur eine relativ geringe Spannung und damit wenig Energie. Damit sind sie sowohl in der Herstellung als auch in der Anwendung kostengünstig.
Mit verschiedenen Spektroskopen stellten Koolen und seine Kollegen zudem überraschend fest, dass die Kupferpartikel während der gesamten Reaktion ihre metallische Natur behielten. „Das Kupfer blieb metallisch, selbst, nachdem das elektrische Potenzial entfernt und der Katalysator der Luft ausgesetzt wurde“, sagt Co-Autor Wen Luo von der Universität Shanghai. „Kupfer oxidiert normalerweise wie verrückt, besonders so kleine Kupferpartikel. In unserem Fall bildete sich jedoch eine Oxidhülle um das Cluster, die den Kern vor weiterer Oxidation schützte“, erklärt Luo. Durch diese Eigenschaft lässt sich der Katalysator recyclen und wiederverwenden.
