Wetenschap
Een metaalvrij organisch raamwerk voor de elektrokatalytische productie van ethyleen uit kooldioxide
Gebruik van het broeikasgas CO2 als chemische grondstof zou niet alleen de uitstoot verminderen, maar ook het verbruik van fossiele grondstoffen. Een nieuw metaalvrij organisch raamwerk zou het mogelijk kunnen maken om ethyleen, een primaire chemische grondstof, elektrokatalytisch te produceren uit CO2 .
Zoals een team heeft gerapporteerd in het tijdschrift Angewandte Chemie International Edition spelen stikstofatomen met een bepaalde elektronenconfiguratie een cruciale rol voor de katalysator.
Ethyleen (etheen, C2 H4 ) is een essentieel uitgangsmateriaal voor veel producten, waaronder polyethyleen en andere kunststoffen. Ethyleen wordt industrieel geproduceerd door het hoogenergetisch kraken en rectificeren van fossiele grondstoffen.
De elektrochemische omzetting van CO2 naar ethyleen zou een veelbelovende route zijn om CO2 te verminderen uitstoot en tegelijkertijd energie en fossiele hulpbronnen besparen.
CO2 is zeer stabiel, waardoor het moeilijk is een reactie op gang te brengen. Met behulp van elektriciteit en katalysatoren is het momenteel mogelijk om dit om te zetten in C1 chemicaliën zoals methanol en methaan.
De extra uitdaging bij de productie van ethyleen is dat er een binding moet worden gevormd tussen twee koolstofatomen. Dit werd voorheen alleen bereikt met koperkatalysatoren. Metaalvrije elektrokatalyse zou voordelig zijn omdat metalen een kostenfactor zijn en milieuproblemen kunnen veroorzaken.
Een team onder leiding van Chengtao Gong en Fu-Sheng Ke aan de Wuhan Universiteit, China, heeft nu een metaalvrije elektrokatalysator ontwikkeld voor de omzetting van CO2 aan ethyleen. De katalysator is gebaseerd op een stikstofhoudend covalent organisch raamwerk (COF).
COF's zijn een nieuwe klasse poreuze, kristallijne, puur organische materialen met een gedefinieerde topologie. In tegenstelling tot metaal-organische raamwerken (MOF's) hebben ze geen metaalionen nodig om ze bij elkaar te houden. Hun poriegroottes en chemische eigenschappen kunnen over een breed bereik worden afgestemd door selectie van de bouwstenen.
De nieuwe COF bevat stikstofatomen met een speciale elektronenconfiguratie (sp 3 hybridisatie) als katalytisch actieve centra. Deze sp 3 stikstofcentra binden de individuele bouwstenen tot een raamwerk via een aminale link (twee aminogroepen gebonden aan één koolstofatoom).
In tegenstelling tot COF's met een klassieke imine-koppeling (–C=N–), stellen aminale COF's strenge eisen aan de lengtes en hoeken van de verbindingen tussen bouwstenen, waardoor de raamwerken worden gevormd door middel van ringsluitingen.
De onderzoekers vonden een geschikte combinatie door gebruik te maken van piperazine (een zesring van vier koolstof- en twee stikstofatomen) en een bouwsteen van drie aromatische zesring van koolstof. Bij gebruik als elektroden vertoonden hun nieuwe COF's een hoge selectiviteit en prestaties (Faraday-efficiëntie tot 19,1%) voor de productie van ethyleen.
Het succes van de aminale COF's is te danken aan de hoge dichtheid van actieve sp 3 -stikstofcentra, die beide zeer effectief CO2 opvangen en elektronen overbrengen. Dit resulteert in een hoge concentratie aan aangeslagen tussenproducten die C-C-koppeling kunnen ondergaan.
Daarentegen bestaat er een verscheidenheid aan aan imine gekoppelde COF's, die sp 2 bevatten stikstof in plaats van sp 3 , werden op soortgelijke wijze getest en produceerden geen ethyleen. Dit bewijst het belang van de juiste elektronenconfiguratie voor de elektrochemische reductie van CO2 naar ethyleen.