Activation and Conversion of Carbon Dioxide Using Transcarboxylation Reactions

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Martin Wild

Das Projekt „Verwendung und Aktivierung von Kohlenstoffdioxid für organo-katalytische Transcarboxylierungsreaktionen“ untersucht die Nutzbarmachung von Kohlenstoffdioxid (CO2). Hintergrund: Die CO2-Emission steigt seit mehreren Jahren in Größenordnungen,[1] die sich negativ auf die Atmosphäre und somit ebenfalls auf das Klima des Planeten auswirken. Daraus ergibt sich eines der wichtigsten Ziele für das 21. Jahrhundert: Die Nutzbarmachung des CO2. Dabei soll dieser billige C1 Rohstoff durch gezielte Absorption (beispielsweise im Zuge der Gaswäsche in Kraftwerken) in ein geeignetes Reaktivlösungsmittel (ionische Flüssigkeit (IL)) sorbiert und gleichzeitig für weitere chemische Reaktionen aktiviert werden. Ionische Flüssigkeiten (ILs) weisen eine sehr gute Löslichkeit von CO2 im Vergleich zu anderen Gasen auf. Für auf 1,3-Dialkylimidazolium basierten ILs mit sehr basischen Anionen wie Acetat haben Experimente in der Vergangenheit gezeigt, dass eine chemische Reaktion zwischen dem Imidazolium-Kation an der C(2) Position und dem CO2 auftritt, woraus ein 1,3-Dialkylimidazolium-2-carboxylat resultiert.
Im Rahmen dieses Projektes wurden neue ionische Flüssigkeiten mit verschiedenen, basischen carboxylat-basierten Anionen synthetisiert und die Löslichkeit des CO2 wurde intensiv untersucht. Dabei wurden verschiedene Parameter, wie Temperatur und der Einsatz eines Cosolvents, variiert, damit eine möglichst große Menge an CO2 chemisorbiert werden kann. Hier zeigte sich, dass die optimale Reaktionstemperatur zwischen 25 °C und 35 °C liegt. Weiterhin führt der Einsatz von aprotischen polaren Lösungsmittelen zu einem positiven Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Im Rahmen dieser Untersuchungen konnten entscheidende Fortschritte bei der Aufklärung des Reaktionsmechanismus der Chemisorption gemacht werden.
Im Anschluss an die Chemisorption des CO2 in [C2mim][OAc] soll das aktivierte Kohlenstoffdioxid weiter verwendet werden. Hierfür wurde zunächst eine Testreaktion ausgewählt, bei der die Optimierung der Reaktionsparameter durchgeführt wurde. Dafür wurden verschiedene Parameter, wie Lösungsmittel, Lösungsmittelmenge, Menge der Reaktanden, Reaktionszeit, verändert und die Menge des gebildeten Produktes mit Hilfe der GC/MS bestimmt. Im Rahmen dieser Optimierung wurde auch eine neue Technik der Massenspektrometrie, die Flüssigstrahl-Massenspektrometrie, verwendet. Mit Hilfe der Flüssigstrahl-Massenspektrometrie konnte der Reaktionsmechanismus der untersuchten Reaktion aufgeklärt werden. Dieser wurde anschließend durch theoretische Rechnungen bestätigt. Im Rahmen der Optimierung konnten Ausbeuten von bis zu 12 % bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck erreicht werden.
Im Anschluss sollen die erhaltenen Erkenntnisse auf weitere Reaktionen übertragen und eine Vielzahl von Produkten hergestellt werden.
 

Förderzeitraum:
01.01.2014 - 31.12.2016

Institut:
Universität Leipzig
Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische
und Theoretische Chemie

Betreuer:

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Publikationen: