Die Umwandlung geschah, indem die Forscher Kobaltphthalocyanin (CoPc)-Moleküle nahmen und sie gleichmäßig auf Kohlenstoffnanoröhren verteilten, graphenähnliche Röhren, die einzigartige elektrische Eigenschaften haben. Auf ihrer Oberfläche befand sich eine Elektrolytlösung, die es den CoPc-Molekülen ermöglichte, Elektronen aufzunehmen und sie zu nutzen, um Kohlendioxid in Methanol umzuwandeln, wenn sie von einem elektrischen Strom durchflossen wurden.
Umgebung entscheidet über Reaktion
Mithilfe einer speziellen Methode, die auf In-situ-Spektroskopie zur Visualisierung der chemischen Reaktion beruht, konnten die Forscher zum ersten Mal beobachten, wie sich diese Moleküle entweder in Methanol oder in Kohlenmonoxid umwandeln, was nicht das gewünschte Produkt ist. Sie fanden heraus, dass die Umgebung, in der das Kohlendioxidmolekül reagiert, darüber entscheidet, welchen Weg die Reaktion nimmt.
Die Abstimmung dieser Umgebung durch die Steuerung der Verteilung des CoPc-Katalysators auf der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhrchen ermöglichte es, dass Kohlendioxid mit bis zu achtmal höherer Wahrscheinlichkeit Methanol erzeugt, eine Entdeckung, die die Effizienz anderer katalytischer Prozesse erhöhen und weitreichende Auswirkungen auf andere Bereiche haben könnte, sagte Robert Baker, Mitautor der Studie und Professor für Chemie und Biochemie an der Ohio State University.
„Wenn man Kohlendioxid in ein anderes Produkt umwandelt, gibt es viele verschiedene Moleküle, die man herstellen kann“, sagte er. „Methanol ist definitiv eines der begehrtesten, weil es eine so hohe Energiedichte hat und direkt als alternativer Kraftstoff verwendet werden kann.
Reaktion vorher kaum beobachtet
Die Umwandlung von Abfallmolekülen in nützliche Produkte ist zwar kein neues Phänomen, aber bisher konnten die Forscher oft nicht beobachten, wie die Reaktion tatsächlich abläuft – eine entscheidende Erkenntnis, um den Prozess zu verbessern und verbessern zu können.
„Wir können zwar empirisch optimieren, wie etwas funktioniert, aber wir wissen nicht wirklich, warum es funktioniert oder warum ein Katalysator besser funktioniert als ein anderer“, sagt Baker, der sich auf Oberflächenchemie spezialisiert hat, also auf die Untersuchung der Veränderungen chemischer Reaktionen, wenn sie auf der Oberfläche verschiedener Objekte ablaufen. „Das sind sehr schwer zu beantwortende Fragen.
Doch mit Hilfe spezieller Techniken und Computermodellierung ist das Team dem Verständnis des komplexen Prozesses deutlich näher gekommen. In dieser Studie verwendeten die Forscher eine neue Art der Schwingungsspektroskopie, die es ihnen ermöglichte zu sehen, wie sich Moleküle auf der Oberfläche verhalten, sagte Quansong Zhu, der Hauptautor der Studie und ehemalige Ohio State Presidential Scholar, dessen anspruchsvolle Messungen für die Entdeckung entscheidend waren.
„Wir konnten anhand der Schwingungssignaturen erkennen, dass es sich um dasselbe Molekül in zwei verschiedenen Reaktionsumgebungen handelte“, so Zhu. „Wir konnten zuordnen, dass eine dieser Reaktionsumgebungen für die Herstellung von Methanol verantwortlich war, das ein wertvoller flüssiger Kraftstoff ist.“
Laut der Studie ergab eine genauere Analyse auch, dass diese Moleküle direkt mit überladenen Teilchen, den so genannten Kationen, wechselwirkten, die den Prozess der Methanolbildung verstärkten.
Schlüssel zu einer effizienteren Methanol-Herstellung
Weitere Forschungen sind erforderlich, um mehr darüber zu erfahren, was diese Kationen sonst noch ermöglichen, aber eine solche Erkenntnis ist der Schlüssel zu einer effizienteren Methode zur Herstellung von Methanol, so Baker.
„Wir sehen Systeme, die sehr wichtig sind, und lernen Dinge über sie, über die man sich schon lange Gedanken gemacht hat“, so Baker. „Das Verständnis der einzigartigen Chemie, die auf molekularer Ebene abläuft, ist wirklich wichtig, um diese Anwendungen zu ermöglichen.Methanol, das aus erneuerbarem Strom hergestellt wird, ist nicht nur ein preiswerter Kraftstoff für Fahrzeuge wie Flugzeuge, Autos und Schiffe, sondern könnte auch zum Heizen und zur Stromerzeugung sowie für künftige chemische Entdeckungen genutzt werden.“
„Es gibt eine Menge aufregender Dinge, die auf der Grundlage dessen, was wir hier gelernt haben, als Nächstes kommen können, und einige davon beginnen wir bereits gemeinsam zu tun“, sagte Baker. „Die Arbeit geht weiter.“
