Voor de energietransitie maakt de chemische industrie steeds meer gebruik van elektrificatie, althans, dat is de wens. Niet alle thermisch-katalytische processen zijn namelijk even makkelijk om te zetten naar elektrokatalytische varianten. Een voorbeeld is de oxidatie van methanol naar formaldehyde. Wil je dat elektrochemisch doen, dan heb je duur platina of zilver nodig als katalysator. Of toch niet? Pim Broersen, Joost Koning, Gadi Rothenberg en Amanda Garcia van de Universiteit van Amsterdam ontwikkelden een organische variant op de katalysator met een hogere efficiëntie en uitstekende selectiviteit.

Dat deden de onderzoekers met de bekende alcoholoxidator TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyl), een radicaal dat regelmatig wordt gebruikt als homogene katalysator in organisch chemische reacties. Een voordeel van TEMPO is dat het liever alcoholen oxideert dan carbonylgroepen. Op de supportelektrode lieten ze een laagje van polymeren groeien en daarin verankerden ze TEMPO met een pyrrool-groep. Zo kun je TEMPO gebruiken als een heterogene katalysator.

Vervolgens kun je dus methanol oxideren. Voor die reactie heb je wel een base nodig en de onderzoekers probeerden een hele reeks aan zwakke en sterke basen uit. Met lutidine als zwakke base behaalden ze een Faraday-efficiëntie van 97,5%. Hoewel dat heel hoog is, was het turnovergetal (TON) vrij laag, slechts zo’n 1250. Met de sterkere base CsOH was de efficiëntie weliswaar wat lager (70-85%), maar schoot de TON omhoog naar 17.100.

Daarnaast testten ze of ze ook andere alcoholen konden oxideren met hun setup en experimenten met 1-propanol en isopropanol lieten zien dat dat ook tot de opties behoort. Een kanttekening bij het onderzoek is de kleine schaal. ‘We gebruikten kleine elektrochemische cellen van tien milliliter’, laat Amanda Garcia, universitair docent synthese, katalyse en elektrochemie, weten in een e-mail. ‘Dit is normaal voor proof-of-principle-werk, waar ons onderzoek onder valt.’

Wil je op industriële schaal met deze reactie gaan werken, dan heb je nog wat obstakels te overwinnen. ‘In de industrie heb je meestal veel hogere stroomdichtheden en duizenden uren aan reactietijd nodig’, zegt Garcia. ‘En een uitdaging daarbij is de stabiliteit van de TEMPO-gemodificeerde elektrode. Met flowchemie zou je dit soort uitdagingen wellicht kunnen omzeilen.’

‘Wel kan onze aanpak een grote impact hebben op de duurzaamheid van formaldehydeproductie’, vervolgt Garcia. ‘We doen de reactie met TEMPO namelijk bij kamertemperatuur zonder edelmetaalkatalysator en eventueel met groene elektriciteit.’ Een bijkomend voordeel is dat TEMPO redelijk goedkoop is, zo’n €60 per kilogram. ‘TEMPO gebruiken geeft dan een groot voordeel ten opzichte van platina of zilver, maar daarvoor moeten we nog wel wat doen aan de stabiliteit van onze katalysator.’

Broersen, P.J.L et al. (2024) ChemSusChem e202400582, DOI: 10.1002/cssc.202400582