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Neuer Katalysator

Kostengünstigere und effizientere Synthese von Feinchemikalien

| Autor / Redakteur: Fabio Bergamin / Alexander Stark

"Der Katalysator ist deshalb so effizient, weil sich das Palladium-Atom innerhalb der Lücke bewegen kann, jedoch von den umliegenden Stickstoff-Atomen festgehalten wird", erklärt ETH-Professor Javier Pérez-Ramírez. Das Palladium-Atom ist in Grün dargestellt.
"Der Katalysator ist deshalb so effizient, weil sich das Palladium-Atom innerhalb der Lücke bewegen kann, jedoch von den umliegenden Stickstoff-Atomen festgehalten wird", erklärt ETH-Professor Javier Pérez-Ramírez. Das Palladium-Atom ist in Grün dargestellt. (Bild: ETH Zürich / Edvin Fako)

Chemieingenieure der ETH Zürich haben einen neuen Katalysator entwickelt, mit dem es möglich sein soll, kostengünstig und auf umweltfreundliche Weise zwei Kohlenstoffatome miteinander zu verbinden. Die Technologie könnte schon bald in der Industrie zum Einsatz kommen.

Zürich/Schweiz – Die chemische Industrie produziert nicht nur wertvolle Vitamine, Medikamente, Aromastoffe und Pflanzenschutzmittel, sondern oft auch viel Abfall. Gerade bei der Produktion von Medikamenten und sogenannten Feinchemikalien übersteigen die Mengen an unverkäuflichen Synthese-Nebenprodukten und Abfällen jene des gewünschten Produkts oft um ein Vielfaches.

Ein Grund dafür ist, dass bei vielen chemischen Reaktionen Katalysatoren in gelöster Form eingesetzt werden, wie Javier Pérez-Ramírez, Professor für Katalyse-Engineering, sagt. Katalysatoren sind Hilfsstoffe, welche eine Reaktion begünstigen. Sind die Katalysatoren löslich, können sie oft nur mit großem Aufwand vom verwendeten Lösungsmittel und von den entstandenen Produkten und Nebenprodukten getrennt und wiederverwendet werden. Bei Katalysatoren in fester Form fällt dieses Problem weg.

Pérez-Ramírez hat nun zusammen mit seiner Gruppe, weiteren europäischen Wissenschaftlern und einem Industriepartner für eine bedeutende chemische Reaktion einen solchen festen Katalysator entwickelt, wie die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology berichten. Beim Katalysator handelt sich um ein molekulares Gitternetz aus Kohlenstoff- und Stickstoff-Atomen (graphitisches Kohlenstoffnitrid). Dieses Gitternetz weist Lücken auf, welche die Forschenden mit Palladium-Atomen bestückten.

Effiziente Katalyse einer Nobelpreis-Reaktion

Die Wissenschaftler verwendeten winzige Partikel aus diesem Palladium-Kohlenstoff-Stickstoff-Material und konnten zeigen, dass sie damit die sogenannte Suzuki-Kupplung sehr effizient katalysieren können. Wenn in der Chemie zwei Kohlenstoffatome miteinander verbunden werden sollen, würde das heute oft mit der Suzuki-Kupplung gemacht, erklärte Sharon Mitchell, Wissenschaftlerin in Pérez-Ramírez’ Labor. Für diese Reaktion erhielt der Japaner Akira Suzuki zusammen mit zwei weiteren Wissenschaftlern den Chemie-Nobelpreis 2010.

Computermodellierung der katalysierten Reaktion

Bisher wurde für diese Reaktion häufig ein löslicher Palladium-Katalysator verwendet. Frühere Versuche, diesen löslichen Katalysator auf einem Festkörper festzumachen, führten bloß zu verhältnismäßig wenig stabilen und wenig effizienten Katalysatoren.

Deutlich weniger Abfall

Der neue Palladium-Katalysator der ETH-Forschenden ist viel stabiler. Daher und weil er sich nicht in der Reaktionsflüssigkeit löst, kann er über sehr viel längere Zeit eingesetzt werden. Außerdem ist der Katalysator den Ingenieuren zufolge kostengünstiger und etwa zwanzigmal effizienter als heute verwendete Katalysatoren.

Dadurch könnten die Kosten der Synthese von Feinchemikalien sowie der Palladium-Verbrauch und die Abfallmenge reduziert werden, so Pérez-Ramírez. Schon bald könnte der Katalysator für den Einsatz in der Industrie bereitstehen: Laut den Wissenschaftlern dürfte es einfach sein, die Produktion des Katalysators und seinen Einsatz vom Labor- zum Industrie-Masßtab hochzuskalieren.

Wie die Forschenden betonen, bleibt die Anwendung von graphitischem Kohlenstoffnitrid als Festkörper-Katalysator nicht auf die Suzuki-Kupplung beschränkt. Es dürfte auch möglich sein, das molekulare Gitternetz mit anderen Metallatomen als Palladium zu besetzen, um damit andere Synthesen zu katalysieren. In weiterer Forschungsarbeit werden die ETH-Wissenschaftler diese Möglichkeiten ausloten. Außerdem planen sie, für die Vermarktung des neuen Katalysators eine Spin-off-Firma zu gründen.

Literaturhinweis: Chen Z, Vorobyeva E, Mitchell S, Fako E, Ortuño MA, López N, Collins SM, Midgley PA, Richard S, Vilé G, Pérez-Ramírez J: A heterogeneous single-atom palladium catalyst surpassing homogeneous systems for Suzuki coupling. Nature Nanotechnology, 25. Juni 2018, doi: 10.1038/s41565-018-0167-2

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