Erfolge auf dem Weg zur „Green Chemistry“ erzielt

Chemische Umwandlung von CO2 wird mit Katalysatoren auf Mangan-Basis möglich

  • Die chemische Umwandlung von Kohlenstoffdioxid wird mit Katalysatoren auf Basis von billigem und umweltfreundlichem Mangan möglich. Die Mangan-Katalysatoren könnten außerdem die Rhodium- und Ruthnenium-basierten Katalysatoren ersetzten, die kostspielig sind und deren Gewinnung oft mit hohen Umweltbelastungen verbunden ist. Bild: Ugis Riba/Shutterstock.Die chemische Umwandlung von Kohlenstoffdioxid wird mit Katalysatoren auf Basis von billigem und umweltfreundlichem Mangan möglich. Die Mangan-Katalysatoren könnten außerdem die Rhodium- und Ruthnenium-basierten Katalysatoren ersetzten, die kostspielig sind und deren Gewinnung oft mit hohen Umweltbelastungen verbunden ist. Bild: Ugis Riba/Shutterstock.

Prof. Dr. Walter Leitner, Direktor der Abteilung Molekulare Katalyse am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (MPI CEC), und sein Team haben einen Katalysator auf Basis des Metalls Mangan entwickelt, der in der Lage ist, Kohlendioxid in Methanol umzuwandeln.

Kohlendioxid (CO2) durch chemische Reduktion in wertvolle Produkte umzuwandeln ist eine der „Traumreaktionen“ an der Schnittstelle zwischen Energie und Chemie. Das Molekül Kohlendioxid ist jedoch - ebenso wie CO2-Baueinheiten in anderen chemischen Verbindungen - äußerst widerstandsfähig gegen solche Reaktionen. 

Umweltfreundliches Mangan ersetzt Rhodium und Ruthenium

Hoch spezialisierte Katalysatoren sind daher nötig, um die trägen Ausgangsstoffe zur Reaktion zu bringen. Bisher sind dafür meist Edelmetalle wie Rhodium oder Ruthenium nötig, die kostspielig sind und deren Gewinnung oft mit hohen Umweltbelastungen verbunden ist. In der Fachzeitschrift Nature Communications berichten Prof. Dr. Walter Leitner und sein Team nun, dass Katalysatoren auf Basis des preiswerten und umweltfreundlichen Metalls Mangan den Edelmetallen Konkurrenz machen können.

Zur chemischen Reduktion der CO2-Einheiten verwenden die Forscher die sogenannten Hydroborierung, eine Reaktion die in der chemischen Synthese weit verbreitet ist. Aufbauend auf jüngste wissenschaftliche Erkenntnisse über die katalytische Wirkung von Komplexverbindungen des Mangans konnten die Wissenschaftler am MPI CEC und an der RWTH Aachen das Metall nun erstmals für diesen Reaktionstyp nutzbar machen.

Katalysierte Reduktion von CO2 zu Methanol

Die Anwendungsbreite des neuen Katalysators macht ihn zu einem erstaunlichen „Alleskönner“: Carbonsäuren, wie sie z.B. aus Biomasse gewonnen werden können, werden ebenso effektiv umgesetzt wie organische Carbonate, die chemisch gebundenes COenthalten. Dies brachte die Forscher dazu, auch das extrem reaktionsträge Kohlendioxid selbst einzusetzen.

Und tatsächlich erwies sich der Mangan-Katalysator auch dieser Herausforderung gewachsen und reduzierte CO2 auf die Stufe des Methanols. Die damit aus den Ausgangsstoffen zugänglichen Alkohole stellen wertvolle Bausteine für die Synthese von Kraftstoffen und Kunststoffen dar, finden Anwendung als Lösungsmittel oder Waschmittel, und dienen auch als Ausgangsmaterialien in der Pharmaindustrie.

Die Wissenschaftler konnten bereits wertvolle Hinweise erhalten, wie das Mangan die komplizierten Einzelschritte der chemischen Umwandlung meistert. Für die Spaltung und Verknüpfung der chemischen Bindungen benötigt das Metallzentrum die Unterstützung seiner Umgebung in den molekularen Katalysatorstrukturen. Diese konzertierte Aktion am aktiven Zentrum konnte mit Hilfe detaillierter Untersuchungen unmittelbar sichtbar gemacht werden.

Auf Basis dieser fundamentalen Einblicke sind die Forscher zuversichtlich, das preisgünstige und in großen Mengen in der Natur vorkommende Metall in noch aktivere Katalysatoren einbauen zu können und so weitere Schritte auf dem Weg zur „Green Chemistry“ zu ermöglichen.

Originalveröffentlichung:

Christina Erken, Akash Kaithal, Suman Sen, Thomas Weyhermüller, Markus Hölscher, Christophe Werlé, Walter Leitner: Manganese-catalyzed hydroboration of carbon dioxide and other challenging carbonyl groups, Nature Communications (2018), DOI: [10.1038/s41467-018-06831-9].

Weitere Informationen:

Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion

 

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