Hvordan man forhindrer katodisk korrosion af metalelektroder i elektroorganisk syntese

Bæredygtighed er et vigtigt emne i erhvervslivet i disse dage. Mange virksomheder erkender behovet for at finde de bedst mulige klimaneutrale løsninger til fremstilling af deres produkter og reducere deres produktion af forurenende stoffer. Det betyder, at de leder efter produktionsmuligheder, der ikke kræver brug af fossile råvarer. Et stort potentiale i denne henseende ses i elektrosyntese, en proces, der involverer omdannelse af kemiske stoffer i en elektrolysecelle ved hjælp af elektrisk energi.

Et team af forskere ledet af professor Siegfried Waldvogel, talsmand for SusInnoScience Top-Level Research Area ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), har allerede demonstreret, for eksempel, at det er muligt at bruge denne teknik til at udvinde smagsforbindelsen vanillin fra træaffald. En særlig lovende anvendelse af elektrosyntese ville være dens anvendelse til fremstilling af plastprecursorer. Elektrosyntese ville ikke kun være mere effektiv end de konventionelle teknikker, men ville heller ikke medføre forbrug af fossile ressourcer. Imidlertid, der er en væsentlig og endnu stort set overset hage:Under elektrosyntese, en proces kendt som katodisk korrosion forekommer. Waldvogels team besluttede at udforske dette spørgsmål dybere ved først at foretage en gennemgang af litteratur om emnet. Resultaterne af denne forskning er blevet offentliggjort for nylig i Kemiske anmeldelser .

Forskerholdet vurderede artikler om katodisk korrosion, der er dukket op gennem de sidste 130 år, inklusive omkring 30 papirer, som de selv har produceret. "Vores team og en kinesisk gruppe er de eneste med den nødvendige ekspertise til at udføre en sådan litteraturgennemgang, " understregede Waldvogel.

Ifølge Waldvogel, Forskere har været opmærksomme på problemet med katodisk korrosion i mere end 200 år, men et middel til at forhindre det er stadig ikke fundet. Mens oxidationen af ​​den positive elektrode, anoden, under elektrolyse er blevet grundigt undersøgt, der er stadig mange ubesvarede spørgsmål vedrørende den reduktion, der sker ved den negative elektrode, katoden. "Det er nødvendigt at bruge materialer til elektroderne, der har et højt overpotentiale med hensyn til brint, så af den grund giftige tungmetaller, såsom bly og tin, er ansat, " sagde Waldvogel. "Men, katoden opløses gradvist - eller korroderer - og frigiver disse giftige metaller." Dette kan resultere i forurening af de syntetiserede kemikalier, som er, selvfølgelig, en uønsket virkning. "Hvis vi var i stand til at forhindre denne korrosion, vi ville have fjernet en af ​​de største anstødssten på vejen mod elektrificering af produktionsprocesser, " tilføjede han. Kemikeren arbejder i øjeblikket på to projekter designet til at finde en løsning på problemet. Projektet kaldet "Strategies to Overcome Contemporary Limitations of Reductive Electrosynthetic Conversions in Aqueous Media" er netop blevet påbegyndt i denne måned. Det finansieres af German Research Foundation (DFG) og US National Science Foundation til omkring 1 mio. EUR.

Fokus her er på en praktisk anvendelse. Arbejder i samarbejde med et team på Iowa State University, Målet er at udvikle en metode til at generere forstadier til plast fra landbrugsaffald - og disse produkter skal syntetiseres ved katoden. "Forudsat at vi har succes, vi vil fremover kunne bruge affald til at lave kemiske mellemprodukter, resulterer i bæredygtig værdiforøgelse, " sagde Waldvogel. Ifølge holdet på Mainz University, de vil hovedsageligt overveje de forskellige måder, hvorpå elektroder kan belægges med salte, mens deres amerikanske modparter vil fokusere på brugen af ​​legeringer, som man håber, at katodisk korrosion kan hæmmes.

Siden begyndelsen af ​​2021, forskere fra de to JGU Top-Level Research Areas SusInnoScience og M ³ ODEL har arbejdet sammen på ECHELON-projektet, hvortil Carl Zeiss Fonden yder omkring 2 mio. EUR i finansiering. "Målet er at få en bedre forståelse af den bagvedliggende teori om de processer, der sker under elektrolyse. Til dette formål, vi kombinerer aspekter af de to vigtige felter kvantekemi og multi-skala modellering, " sagde Waldvogel. "Kvantekemi giver os mulighed for at beregne de kemiske reaktioner ved katoden, mens multi-skala modellering gør os i stand til teoretisk at kortlægge bevægelsen og koncentrationen af ​​ionerne i væsken, der omgiver katoden, " konkluderede han.