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Katalysator für Methanproduktion Forscher entwickeln Katalysatoren aus bakterieller Nanocellulose

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Tobias Hüser

Wissenschaftler der Universität Augsburg haben ein energieeffizientes Verfahren zur Abscheidung edelmetallhaltiger Nanopartikel auf einem filzartigen Träger aus bakterieller Nanocellulose entwickelt. Der so gewonnene Katalysator unterstützt die Methanbildung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas unter milden Reaktionsbedingungen.

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Biotechnologisch produzierte bakterielle Nanocellulose. Auf der REM-Aufnahme deutlich erkennbar: längliche bakterielle Zellen, aus denen schmale Nanofasern chemisch reinster Cellulose herauswachsen.
Biotechnologisch produzierte bakterielle Nanocellulose. Auf der REM-Aufnahme deutlich erkennbar: längliche bakterielle Zellen, aus denen schmale Nanofasern chemisch reinster Cellulose herauswachsen.
(Bild: D. Volkmer)

Augsburg – Hochreine Cellulosefasern mit Durchmessern im Bereich von wenigen 10 nm werden von verschiedenen fermentierenden Bakterienstämmen aus Rohr- oder Fruchtzucker produziert. Diese natürlich vorkommenden Bakterien bilden auf ihrer Zelloberfläche Mikrofibrillen aus Cellulose, die die Länge ihres Zellkörpers um ein Vielfaches übersteigen und miteinander zu einem dreidimensionalen Geflecht verfilzen.

In indonesischen Ländern wird ein derartiger Fermentierungsprozess seit langer Zeit zur Herstellung der populären Süßspeise „Nata de coco“ verwendet, eines gelatineartigen aromatisierten Nahrungs- und Genussmittels. Alternativ lässt sich hochreine mikrokristalline Cellulose auch aus Pflanzen gewinnen, allerdings ist diese Form der Erzeugung an energie- und kostenintensive Aufarbeitungs- und Reinigungsschritte gebunden.

Ein Wissenschaftlerteam am Augsburger Lehrstuhl für Festkörperchemie ist in einer jüngsten Studie nun der Frage nachgegangen, ob sich Filze aus bakterieller Nanocellulose prinzipiell auch als Träger für Edelmetallkatalysatoren eignen. Die Forscher untersuchten zunächst, ob sich Filze aus bakterieller Nanocellulose bei hohen Temperaturen – unter Erhalt des natürlichen 3D-Geflechts – in einen Träger aus nanostrukturiertem Kohlenstoff umwandeln lassen. Der Graphit-Nanofilz, den sie bei 800 °C erhielten, ist hochporös: Ein Gramm des Materials hat eine innere Oberfläche von rund 600 m2.

Filze als Träger von Ruthenium-Nanopartikel

Solche hochporösen in ihrer Form stabilen Filze eignen sich als Träger für katalytisch aktive Nanopartikel. Die Augsburger Forscher setzten hier auf das Element Ruthenium, da dieser „schwere Verwandte“ von Eisen in verschiedensten technischen Prozessen eine hohe katalytische Aktivität aufweist.

„Der eigentliche Clou ist die Abscheidung der Ruthenium-Nanopartikeln auf dem Cellulosefilz im Eintopfverfahren“, berichtet der Chemie-Ingenieur Andreas Kalytta-Mewes. „Im Verlauf der Untersuchungen haben wir nämlich herausgefunden, dass der bakterielle Filz lediglich mit einer Lösung getränkt werden muss, die einen einfachen Rutheniumkomplex enthält. Der Rest erledigt sich dann fast von selbst, sprich durch kurzzeitiges Erhitzen des Filzes auf 1250 °C erhält man ein Carbonfaser-Netzwerk, das die Katalysator-Nanoteilchen in fein verteilter Form enthält.“

Diese Verteilung, also der Dispersionsgrad der Edelmetallpartikeln auf dem Träger, ist ein entscheidender Faktor für deren katalytische Aktivität. Hochaktive Katalysatoren benötigen in der Regel extrem kleine Nanopartikeln, die nur aus wenigen 10 bis 100 Metallatomen bestehen und die unter technischen Reaktionsbedingungen nicht miteinander sintern, weil sie dadurch ihre Aktivität einbüßen würden.

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