Dekarbonisierung chemischer Prozesse mit Thor

Die chemische Industrie verbraucht etwa 10 % der weltweit produzierten Energie und ist für mehr als 5 % der globalen Kohlenstoffemissionen verantwortlich. Fast alle Chemikalien werden unter Verwendung von Wärmeenergie aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe synthetisiert, was zu einem beträchtlichen Kohlenstoff-Fußabdruck in diesem Sektor führt. Was wäre, wenn es einen Weg gäbe, den Kohlenstoff-Fußabdruck zu reduzieren, ohne dass dafür große Mengen an Energie oder hohe Kosten erforderlich wären? An dieser Stelle kommt der Gewinner des Metrohm Young Chemist Award 2021, Ryan Jansonius, ins Spiel.

Der Metrohm Young Chemist Award

Metrohm schätzt den Innovationsgeist und glaubt an den Wert neuartiger Forschungsarbeiten, die von jungen wissenschaftlichen Pionieren durchgeführt werden. Bei Metrohm USA ist es seit fast einem Jahrzehnt Tradition, einen jährlichen Wettbewerb für Nachwuchsforscher zu veranstalten! Jedes Jahr gehen zwischen 50 und 75 Bewerbungen ein, um den Hauptpreis von 10.000 USD zu gewinnen.

Eine Jury aus internen und externen Vertretern des Unternehmens prüft die Einsendungen und bewertet die Antworten der Bewerber auf die Fragen in der Bewerbung. Die Finalisten werden dann von der Jury mit einer Reihe von Folgefragen konfrontiert und gebeten, ihre Rolle bei der Forschungsarbeit und deren Zukunftspotenzial zusammenzufassen. Es wird ein Gewinner ausgewählt, der dann seine Forschungsarbeit auf der PITTCON vorstellt. Sehen Sie sich Ryans Präsentation auf der PITTCON 2021 unten an!

Frühere Gewinner des MYCA  haben ihre Forschung fortgesetzt und ihren Horizont erweitert, indem sie das Preisgeld für Dinge nutzten, auf die sie sonst hätten verzichten müssen.

Erfahren Sie hier mehr über den Metrohm Young Chemist Award! Die Bewerber müssen nicht mit Metrohm-Geräten arbeiten, um berücksichtigt zu werden, und diese spielen auch bei der Auswahl der Gewinner keine Rolle.

Metrohm Young Chemist Award

Dekarbonisierung der chemischen Industrie

Ryans Doktorarbeit an der UBC konzentriert sich auf die Suche nach Möglichkeiten zur Dekarbonisierung der chemischen Produktion. Die Herstellung von Kraftstoffen, Kunststoffen, Düngemitteln, Arzneimitteln und Spezialchemikalien verbraucht eine erhebliche Menge an Energie und ist für 5 % aller Treibhausgasemissionen verantwortlich. Durch die Entwicklung von Verfahren zur Herstellung dieser nützlichen Chemikalien unter ausschließlicher Verwendung von reichlich vorhandenen Rohstoffen und erneuerbarer Elektrizität besteht die Möglichkeit, diese Emissionen zu kompensieren.

Um chemische Prozesse zu dekarbonisieren, entwickeln Ryan und seine Gruppe einen Reaktor, der mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Energien, chemische Reaktionen antreibt, für die sonst fossile Brennstoffe erforderlich wären. Die Art der Reaktion, auf die sie abzielen, heißt "Hydrierung" und wird in etwa 25 % aller chemischen Produktionsprozesse in verschiedenen Branchen eingesetzt. Bei der Hydrierung handelt es sich um ein einfaches chemisches Verfahren, bei dem Wasserstoffatome zu einem ungesättigten chemischen Ausgangsstoff hinzugefügt werden.

Normalerweise wird dazu Wasserstoffgas unter hohem Druck und bei hoher Temperatur benötigt, was in der Handhabung extrem gefährlich ist. Die herkömmliche Technologie erfordert zu diesem Zweck kapitalintensive Hydrierungsanlagen und hat sich seit fast einem Jahrhundert nicht verändert.

Der "Thor" genannte Reaktor erzeugt Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser, der dann eine dünne Membran passiert und ein organisches Ausgangsmaterial hydriert. Das Besondere an Thor ist die Verwendung einer Palladiummembran, die gleichzeitig als Kathode, wasserstoffselektive Membran und Hydrierungskatalysator dient. Dank dieser Architektur kann die Elektrolyse in einem wässrigen Elektrolyten erfolgen, während die Hydrierung in einem organischen Lösungsmittel durchgeführt wird. Beide Reaktionen verlaufen dadurch effizient.

Dieses Verfahren macht die Verwendung von fossilem H2 und die für herkömmliche thermochemische Hydrierungsreaktoren, die heute industriell genutzt werden, erforderlichen Erdgasheizungen überflüssig. Letztendlich soll Thor zur Herstellung von erneuerbarem Diesel, Arzneimitteln und einer Vielzahl von Spezialchemikalien auf biologischer Basis verwendet werden, und zwar auf eine Art und Weise, die sauberer, sicherer und kostengünstiger ist als herkömmliche Methoden.

Die Legende von Thor(Tech)

Woher stammt der Name "Thor"?

Die Untersuchung des Palladium-Wasserstoff-Systems führte die Berlinguette-Forschungsgruppe im Jahr 2018 zur Entwicklung des Thor-Reaktors. Die Erfinderin der Technologie, Rebecca Sherbo (derzeit Postdoktorandin in Harvard), kam auf diese Idee, nachdem sie die bizarren Wasserstoffabsorptionseigenschaften von Palladium untersucht hatte. Der erste Aufbau und Proof of Concept war ein Tandem-Hydrierungs-/Oxidationsreaktor. Anstelle der gepaarten Elektrolysemethode verwenden sie nun die Wasserhydrolyse als Wasserstoffquelle, haben aber den großen Namen beibehalten, um an die Geschichte zu erinnern.

Was ist ThorTech? Ryan und sein Forschungsteam erklären ihr Projekt in aller Kürze:

Potenzielle kommerzielle Auswirkungen einer umweltfreundlicheren Technologie

Thor löst die wichtigsten Probleme herkömmlicher Hydrierungsmethoden, indem es Wasser als Wasserstoffquelle nutzt. Daher ist kein unter Druck stehendes H₂-Gas mehr erforderlich, das schwierig zu handhaben und zu lagern ist. Die Reaktivität der Wasserstoffatome, die dem organischen Ausgangsmaterial im Reaktor zugeführt werden, liegt in der Größenordnung von Hunderten von Atmosphären. Aus Wasser gewonnener Wasserstoff kann daher zur Hydrierung organischer Moleküle verwendet werden, ohne dass gefährliche Reagenzien oder hohe Temperaturen verwendet werden müssen. Durch die Verwendung von Elektrizität als einziger Energiequelle kann die Apparatur auch kohlenstoffneutral betrieben werden, wenn diese an eine erneuerbare Stromquelle angeschlossen wird.

Warum Metrohm wählen?

Warum also Metrohm gegenüber anderen Anbietern bevorzugen? Ich habe Ryan über seine Erfahrungen mit unseren Potentiostaten für seine Doktorarbeit in der Berlinguette-Laborgruppe an der UBC befragt.

Im Folgenden erfahren Sie mehr über die elektrochemischen Messgeräte von Metrohm.

Elektrochemie von Metrohm

Wir stimmen voll und ganz zu! Weitere Informationen über die Potentiostaten von Metrohm Autolab finden Sie auf dieser Website.

Metrohm Autolab

Die nächsten Schritte

Das Thor-Team arbeitet derzeit an der Entwicklung von Membranen, die weniger Palladium verbrauchen, an der Konstruktion von Durchflusszellen zur Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeiten und der Effizienz sowie am Screening von Katalysatoren, welche die Hydrierung einer breiteren Palette von Rohstoffen in Thor ermöglichen.

Natürlich hat die COVID-19-Pandemie die Forschungsaktivitäten auf der ganzen Welt beeinflusst und das ist bei unserem Gewinner des Metrohm Young Chemist Award nicht anders. Nachdem er fast sechs Monate außerhalb des Labors verbracht hatte, machten es soziale Distanzierungsmaßnahmen für Ryan schwierig, seine Doktorarbeit zu beenden. Wenn ein Experiment fehlschlug, konnte eine ganze Arbeitswoche verloren gehen, weil die Anwesenheit der Teammitglieder gestaffelt werden musste. Letztendlich zog das Team in einen größeren, unbewohnten Raum in der Nähe, um seine Arbeit fortzusetzen.

Wie wird das MYCA-Preisgeld verwendet?

Nach Abschluss seiner Promotion hatte Ryan geplant, sich voll und ganz auf sein Start-up-Unternehmen ThorTech zu konzentrieren, das auf den Forschungsarbeiten basiert, zu denen er beigetragen hat. Doch der Übergang vom promovieren Forscher zum Mitbegründer eines Start-ups ist recht kostspielig.

Er möchte sich eine Auszeit nehmen, um an seinem Unternehmen zu arbeiten, bevor das Investitionskapital eintrifft, und das Preisgeld wird ihm dabei helfen. Außerdem braucht er nach dem Abschluss seines Studiums ein wenig Ruhe und Erholung!

Ryan verteidigt seinen Doktortitel im Mai 2021 an der University of British Columbia, und wir wünschen ihm viel Glück. Um mehr über die Forschung von Ryan und seinem Team zu erfahren, finden Sie im Folgenden eine Auswahl an von Experten begutachteter Literatur.

Ausgewählte Literatur zur weiteren Lektüre:

• Sherbo, R.S.; Delima, R.S.; Chiykowski, V.A.; et al. Complete electron economy by pairing electrolysis with hydrogenation. Nat. Catal. 2018, 1, 501–507. https://doi.org/10.1038/s41929-018-0083-8

Dies ist der erste veröffentlichte Artikel über den Thor-Reaktor.  

• Sherbo, R.S.; Kurimoto, A.; Brown, C.M.; et al. Efficient Electrocatalytic Hydrogenation with a Palladium Membrane Reactor. JACS 2019, 141, 7815–782. https://doi.org/10.1021/jacs.9b01442

Thor ermöglicht ca. 65 % energieeffizientere Hydrierungsreaktionen verglichen mit normalen elektrochemischen Hydrierungsmethoden.  

• Delima, R.S.; Sherbo, R.S.; Dvorak, D.J.; et al. Supported palladium membrane reactor architecture for electrocatalytic hydrogenation. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 26586–26595. https://doi.org/10.1039/c9ta07957b

In diesem Artikel wird ein Design für Palladiummembranen beschrieben, das 25-mal weniger Palladium benötigt als herkömmliche Pd-Folien.  

• Kurimoto, A.; Sherbo, R.S.; Cao, Y.; et al. Electrolytic deuteration of unsaturated bonds without using D₂. Nat. Catal. 2020, 3, 719–726. https://doi.org/10.1038/s41929-020-0488-z

Thor kann auch zur Deuterierung (Hydrierung, allerdings mit schwerem Wasser) organischer Moleküle verwendet werden. Ein Video, in dem die Technologie beschrieben wird, finden Sie hier.
 

• Jansonius, R.P.; Kurimoto, A.; Marelli, A.M.; et al. Hydrogenation without H₂ Using a Palladium Membrane Flow Cell. Cell Reports Physical Science, 2020, 1, 100105. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100105

Dieser Artikel zeigt eine entworfene und validierte skalierbare Durchflusszellenarchitektur, die 15x schnellere und 2x effizientere Hydrierungsreaktionen ermöglicht.  

• Huang, A.; Cao, Y.; Delima, R.S.; et al. Electrolysis Can Be Used to Resolve Hydrogenation Pathways at Palladium Surfaces in a Membrane Reactor. JACS Au 2021, 1, 336-343. https://doi.org/10.1021/jacsau.0c00051

Thor kann auch verwendet werden, um komplexe Reaktionsmechanismen zu lösen, durch die Abscheidung von Nanopartikeln auf der Membranoberfläche.