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TU Darmstadt entwickelt metallfreie Katalysatoren

Neue Materialklasse mit Potenzial für Industrieanwendungen
TU Darmstadt entwickelt metallfreie Katalysatoren

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Elektronenmikroskopische Aufnahmen der Kohlenstoffmakro- und mikrostruktur. Bild: Felix Herold

Katalysatoren sind unverzichtbare Helfer in der modernen Industriegesellschaft. Sie ermöglichen es, Rohstoffe selektiv in Wertprodukte umzuwandeln. Bislang kommen häufig Metalle als Katalysatoren zum Einsatz, deren Abbau oft unter umweltschädlichen und ethisch bedenklichen Bedingungen läuft. Eine Alternative können Kohlenstoffkatalysatoren sein. Eine Arbeitsgruppe am Fachbereich Chemie der TU Darmstadt hat eine vielversprechende neue Generation von Kohlenstoffkatalysatoren vorgestellt.

Die für Metallkatalysatoren benötigeten Materialien sind meist selten, ihr Abbau ruft ethische Konflikte und Umweltschäden hervor, und sie sind zudem oft toxisch für den Menschen. Für Strategien zur zukünftigen Einbindung biomassebasierter Rohstoffe in die Wertschöpfungsketten der chemischen Industrie stützen sich die meisten bekannten Katalysatorsysteme auf Übergangsmetalle wie Vanadium, Molybdän, Platin oder Silber.

Bereits in den 1980er Jahren konnte nachgewiesen werden, dass reiner Kohlenstoff als metallfreier Katalysator für solche Transformationen ebenfalls in Frage kommt und ein hohes Potenzial als nachhaltiges Ersatzmaterial aufweist. In Folge dieser Entdeckung wurden insbesondere Kohlenstoffnanomaterialien extensiv als Katalysatoren für verschiedenste chemische Umwandlungen eingesetzt. Obwohl diese Materialien im Labor vielversprechende Eigenschaften aufwiesen, kam es bis heute nicht zur industriellen Anwendung, da einerseits die Handhabung der feinen Pulver und andererseits die Herstellung in technischem Maßstab Herausforderungen darstellen.

Neue Generation Kohlenstoffkatalysatoren

Angesichts des hohen Potenzials von Kohlenstoffkatalysatoren wird im Fachbereich Chemie der TU Darmstadt in der Arbeitsgruppe von Professor Bastian J. M. Etzold bereits seit einigen Jahren an der Herstellung neuer Kohlenstoffklassen gearbeitet. In Zusammenarbeit mit Professor Wei Qi vom Shenyang National Laboratory for Material Science in China, sowie Professor Jan Philipp Hofmann vom Fachgebiet Oberflächenforschung der TU Darmstadt gelang Felix Herold, einem Doktoranden der Arbeitsgruppe Etzold, die Herstellung einer neuen Generation von Kohlenstoffkatalysatoren.

Sie ist den Nano-Kohlenstoffen in vielerlei Hinsicht überlegen. Herold konnte die hervorragenden katalytischen Eigenschaften von Nano-Kohlenstoffen auf Kohlenstoffmaterialien „makroskopischer“ Partikelgröße übertragen. Dabei ist es auch gelungen, die Herstellung und die technische Handhabbarkeit entscheidend zu vereinfachen. Herold hat am Beispiel der Umwandlung von Bio-Ethanol, einem aus Biomasse zugänglichen Rohstoff, zu Acetaldehyd, einem wichtigen Zwischenprodukt der chemischen Industrie, die Leistungsfähigkeit der neuen Katalysatoren demonstriert.

Die Forschungsergebnisse wurden im Journal „Angewandte Chemie“ vorgestellt: F. Herold, S. Prosch, N. Oefner, K. Brunnengräber, O. Leubner, Y. Hermans, K. Hofmann, A. Drochner, J. P. Hofmann, W. Qi and B. J. M. Etzold, Nanoskaliger hybrider amorph/graphitischer Kohlenstoff als Schlüssel zur nächsten Generation von kohlenstoffbasierten Katalysatoren für oxidative Dehydrierungen.

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