Kann Kohlendioxid zur Herstellung von Kunststoffen verwendet werden? Sie haben richtig gehört!

Autor: Li Chuanfu Shi Xiangqi

Angesichts der zunehmenden Verschlechterung des globalen Klimawandels ist die Frage, wie Kohlendioxid effektiv genutzt werden kann, zu einem wichtigen Thema der wissenschaftlichen Forschung geworden. Zuvor war es chinesischen Wissenschaftlern gelungen, Stärke aus Kohlendioxid zu synthetisieren. Kürzlich veröffentlichten Wissenschaftler eine weitere bahnbrechende Studie in der Fachzeitschrift Nature Synthesis, die eine innovative Methode zur Umwandlung von Kohlendioxid in Biokunststoffe vorstellt.

Bei der elektrochemischen CO2-Reduktion handelt es sich um eine Technologie, bei der aus erneuerbaren Energien erzeugter Strom genutzt wird, um CO2 in hochwertige Produkte umzuwandeln. Diese Methode reduziert nicht nur die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre, sondern produziert auch nützliche Chemikalien wie Essigsäure, Ethanol und n-Propanol. Der Prozess wird jedoch komplizierter, wenn das Ziel darin besteht, Produkte mit Kohlenstoffkettenlängen von mehr als vier Kohlenstoffen herzustellen.

Biosynthetische Systeme sind in der Lage, Kohlendioxid oder seine Derivate in langkettige Kohlenstoffbrennstoffe und Chemikalien wie n-Butanol und Polyester umzuwandeln. Wenn diese Systeme jedoch direkt mit CO2 oder den Produkten minderwertiger CO2-Reduktionsreaktionen gespeist werden, kann ihre Energieeffizienz und Kohlenstoffausnutzung reduziert sein, was die wirtschaftliche und praktische Durchführbarkeit dieser Prozesse einschränkt.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, schlugen Wissenschaftler eine Methode zur Optimierung der Integration der elektrochemischen CO2-Reduktionsreaktion mit der Biosynthese vor. Mit dieser Methode kann Kohlendioxid effizient in langlebigere, hochwertigere Kohlenstoffprodukte umgewandelt werden. Acetat ist eine ideale Kohlenstoffquelle, da es von Bakterien in Bioreaktoren effizient in hochwertige Produkte umgewandelt werden kann.

In dieser Studie entwickelten Wissenschaftler einen porösen Festelektrolytreaktor, der Acetat mit hoher Selektivität und ohne Elektrolyt produzieren kann. Dieser Reaktor ist mit einem Biosynthesesystem zur Herstellung von Polyhydroxybutyrat-Biokunststoffen gekoppelt. Dieser Biokunststoff ist ein abbaubarer Kunststoff und trägt maßgeblich zur Reduzierung der Plastikverschmutzung bei.

Schematische Darstellung der Reaktorintegrationsplattform Quelle: Nature Synthesis

Die wichtigste Innovation dieser integrierten Plattform ist die Fähigkeit, Acetat in einem biokompatiblen Elektrolytmedium zu erzeugen, das direkt im Biosyntheseprozess zur Herstellung von Polyhydroxybutyrat-Biokunststoffen verwendet wird. Dadurch wird eine nahtlose Integration der beiden Systeme erreicht, ohne dass zusätzliche Trennungs- oder pH-Anpassungsschritte erforderlich sind. In der Studie wurde ein mit Silber dotierter Kupferoxid-Nanowürfelkatalysator verwendet, der die Fähigkeit zeigte, in der elektrokatalytischen Reaktion Acetat mit hoher Selektivität zu erzeugen. Die selektive Bildung von Acetat während der elektrochemischen Reduktion wurde über einem optimierten, mit Silber dotierten Kupferoxidkatalysator erreicht.

Die Forschung bietet eine neue Möglichkeit, Kohlendioxid in nützliche Chemikalien und Materialien umzuwandeln. Durch die Integration der elektrochemischen CO2-Reduktionsreaktion in die Biosynthese verbesserten die Wissenschaftler nicht nur die CO2-Nutzungseffizienz, sondern lieferten auch einen effizienten Weg zur Herstellung nachhaltiger Biokunststoffe. Der Erfolg dieser Technologie zeigt das Potenzial interdisziplinärer Zusammenarbeit bei der Lösung globaler Probleme und eröffnet uns eine neue Perspektive auf Kohlendioxid – nicht nur als Verursacher des Klimawandels, sondern auch als wichtiger Rohstoff für die Herstellung nützlicher Produkte. Mit der Weiterentwicklung und Optimierung der Technologie können wir mit innovativeren Möglichkeiten zur Nutzung von Kohlendioxid rechnen, die zu einer grünen und nachhaltigen Entwicklung beitragen.