Wege zur Post-Petrochemie - Elektroreduktion von Kohlenmonoxid zur hochselektiven Herstellung von Ethylen

Ethylen ist eine der wichtigsten Grundchemikalien der chemischen Industrie, etwa als Ausgangspunkt für die Herstellung der verschiedensten Kunststoffe. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen Wissenschaftler jetzt einen neuen elektrokatalytischen Ansatz für eine selektive, energieeffiziente und ökologische Route für die Produktion von Ethylen aus Kohlenmonoxid vor, das aus nachwachsenden Rohstoffen und Abfällen gewonnen werden könnte.

Sowohl aus ökonomischer als auch aus ökologischer Sicht wird die Umwandlung von Kohlenmonoxid (CO) in Ethylen (Ethen, C2H4) durch energieeffiziente Strategien als einer der Schlüsselprozesse für die chemische Nutzung nicht-petrochemischer Rohstoffe angesehen. Heute wird Ethylen üblicherweise durch Steamcracken von Naphtha aus der Erdölraffinerie hergestellt. Dabei werden längerkettige Kohlenwasserstoffe bei 800 bis 900 °C zu kürzeren Ketten gespalten. Eine Alternative ist die Herstellung aus Synthesegas, einer Mischung aus CO und Wasserstoff aus der Kohlevergasung – die aber auch aus Biogas, Holz und Abfällen als Kohlenstoffquelle gewonnen werden kann. Aus Synthesegas lässt sich in einer Fischer-Tropsch-Synthese eine Mischung verschiedener Kohlenwasserstoffe gewinnen, unter anderem Ethylen. Nachteile sind die energieintensiven Bedingungen von 200 bis 450 °C und 5 bis 50 bar sowie der Verbrauch wertvollen Wasserstoffs. Zudem sind meist maximal 30% der Produkte die favorisierten C2-Kohlenwasserstoffe (Ethylen und Ethan), höhere Kettenlängen lassen sich nicht vermeiden, Ethylen muss aufwendig abgetrennt werden und es entstehen etwa 30 bis 50% CO2, was eine unerwünschte Emission und einen Verlust von Kohlenstoff bedeutet.

Die Forscher von der Xiamen University und dem Dalian Institute of Chemical Physics der Chinese Academy of Sciences um Dehui Deng stellen jetzt einen neuen Ansatz für einen direkten elektrokatalytischen Prozess zur hochselektiven Herstellung von Ethylen vor. Dabei wird CO mit Wasser bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck an einem Kupfer-Katalysator mithilfe von elektrischem Strom reduziert.

Durch eine Optimierung der Struktur der eingesetzten Gasdiffusionselektrode konnten die Forscher jetzt einen Faradayschen Wirkungsgrad (Übertragungseffizienz der Ladung für diese Reaktion) von beispiellosen 52,7% erreichen und die „magische“ 30%-Grenze für die C2-Selektivität knacken. Eine CO2-Emission tritt nicht auf. Weg zum Erfolg war eine mikroporöse Schicht aus Kohlenstofffasern mit optimal eingestellter Hydrophobizität als Träger für katalytisch aktive Kupfer-Partikel sowie eine optimierte Kaliumhydroxid-Konzentration der wässrigen Phase. Dies erhöht die CO-Konzentration an der Elektrode und verstärkt die Kupplung zwischen den Kohlenstoffatomen. Die auftretenden Nebenprodukte Ethanol, n-Propanol und Essigsäure, sind flüssig, sodass sich das gasförmige Ethylen leicht abtrennen lässt.