Ein energiesparender Katalysator

Katalysatoren sind vielseitig. Sie entgiften Autoabgase oder sind bei der Herstellung von Medikamenten im Einsatz. Ihre wirtschaftliche Bedeutung wächst. Die Forschung sucht neue Wege, sie recyceln zu können.

Andreas Lorenz-Meyer
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Komplexe Angelegenheit: Professor Javier Pérez Ramírez befasst sich an der ETH Zürich mit katalysatoren. (Bild: ETH Zürich)

Komplexe Angelegenheit: Professor Javier Pérez Ramírez befasst sich an der ETH Zürich mit katalysatoren. (Bild: ETH Zürich)

Katalysatoren nennt man Stoffe, die eine chemische Reaktion einleiten oder diese beschleunigen, indem sie die für die Reaktion benötigte Aktivierungsenergie senken. Ohne sie würde der Prozess gar nicht oder nur sehr viel langsamer ablaufen. Der Katalysator selbst wird bei dem Prozess, der Katalyse, nicht verändert. In der Natur kommen Katalysen zum Beispiel beim aufgeschnittenen Apfel vor. Das Fruchtfleisch färbt sich an der Luft in kurzer Zeit braun. Das liegt an den Enzymen im Obst, die in Verbindung mit Sauerstoff zu arbeiten beginnen. Sie sorgen dafür, dass der Apfel braun wird.

Der Mensch nutzt das Prinzip der Katalyse, um industrielle Produkte herzustellen. Hier wird die chemische Reaktion gezielt herbeigeführt - und dafür braucht es Metalle als Katalysatoren. Zu denen gehören Platin, Palladium, Rhenium, Rhodium. Gute Katalysatoren sind gefragter denn je. Vier von fünf chemischen Produkten durchlaufen bei ihrer Herstellung mittlerweile einen Katalysezyklus, schätzt das Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock. Katalytische Anwendungen fänden sich zunehmend auch bei der Energieversorgung und beim Klima- und Umweltschutz. Die globale Forderung nach einer effizienten Nutzung aller Ressourcen sei nur mit einer effizienten Katalyseforschung möglich.

Das gilt auch für die Feinchemikalienindustrie. Diese setzt Katalysatoren zum Beispiel für die Produktion von Medikamenten ein. Oft verwendet man dort homogene Katalysatoren. Homogen bedeutet, der katalytische Stoff liegt in gelöster Form vor. Solche Katalysatoren haben einen grossen Nachteil: Sie können nicht durch physikalische Methoden wie Zentrifugation oder Filtration abgetrennt werden. «Grundsätzlich besteht dieses Problem bei allen homogenen Katalysatoren», erklärt Javier Pérez-Ramírez vom Institut für Chemie- und Bioingenieurwissenschaften der ETH Zürich. Palladium zum Beispiel ist sehr wertvoll. Das seltene Metall wird vor allem in Russland abgebaut, global liegen die Jahresfördermengen bei etwas über 200 Tonnen. Aus der begrenzten Verfügbarkeit ergibt sich die Notwendigkeit, solche Metalle zu recyceln. «Das geht aber nur durch Destillation, da sich die gelösten Stoffe nicht einfach abfiltrieren lassen», so Pérez-Ramírez.

Destillation bedeutet Energieaufwand

Der Forscher vergleicht es mit einem Topf voller Pasta. Die Nudeln darin, also die Feststoffe, lassen sich sehr einfach recyceln. Das Salz, das aus Geschmacksgründen ins Nudelwasser gehört, dagegen nicht. Es steht für den homogenen Katalysator. Um es wieder zurückzugewinnen, müsste man alles Wasser aus dem Topf abkochen. Der Energieaufwand ist hoch. Destillation bedeutet also einen erheblichen Aufwand an Energie.

Pérez-Ramírez und seine Kollegen lösten das Problem, indem sie einen heterogenen Festkörperkatalysator entwickelten, der Ende Juni im Fachblatt Nature Nanotechnology beschrieben wurde. Das katalytische Metall lässt sich hier am Ende gut abtrennen. Die Forscher nahmen graphitisches Kohlenstoffnitrid, eine chemische Verbindung aus Stickstoff- und Kohlenstoffatomen, und setzten in die Lücken einzelne Palladiumatome: die Katalysatoren.

Ein anderer Aufbau als bei klassischen Katalysatoren, die aus Palladium-Metallkomplexen bestehen. Hier ist das Palladiumatom komplett von Liganden umgeben, also von Molekülen, die sich mit dem Zentralatom verbinden. Pérez-Ramírez: «Bevor die chemische Reaktion überhaupt beginnen kann, muss einer dieser Liganden das Metallatom freigeben. Und nach der Reaktion muss der Ligand wieder zurück.» Dem Katalysator wird also eine hohe Dynamik abverlangt. Er muss ständig seine Struktur ändern, um aktiv arbeiten zu können. Da der Metallkomplex gelöst ist, kommt es vor, dass während des Vorgangs zwei oder mehrere Palladiumatome eine Bindung eingehen. Ab diesem Zeitpunkt kann der Katalysator nicht mehr arbeiten und muss ersetzt werden.

Beim neuen Zürcher Katalysator passiert so etwas nicht. Das Palladiumatom ist direkt an der Oberfläche des Festkörpers, also des Kohlenstoffnitrids, verankert. «Dadurch können wir die Distanz zwischen zwei Palladiumatomen exakt kontrollieren, aber das Metall hat nach wie vor die nötige Mobilität, um in der Reaktion aktiv zu arbeiten», sagt Pérez-Ramírez. Man könnte das Ganze als flexible Fixierung bezeichnen. Die Gefahr, dass die Palladiumkerne zusammengehen und dadurch ihre Aktivität verlieren, besteht nicht mehr. Das Metallzentrum muss nicht mehr durch Liganden geschützt werden und kann dadurch viel effizienter arbeiten. 20 Mal effizienter als herkömmliche Katalysatoren, schätzt Pérez-Ramírez.

«Solche chemischen Reaktionen von einem homogenen in einen heterogenen Prozess zu überführen, bedeutet eine radikale Steigerung der Nachhaltigkeit in der Chemieindustrie. Der Energieaufwand für viele Prozesse sinkt. Wir müssen weniger kostbare und schwer förderbare Edelmetalle einsetzen.» Die Forscher wollen das System nun patentieren lassen.