3x billige Katalysatoren

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Chemiker der RUDN Universität fanden Ersatzweg

Chemiker der russischen Universität der Völkerfreundschaft RUDN haben einen neuen Weg zur Synthese von Katalysatoren für die Umwandlung von Ethylalkohol gefunden. Die erhaltenen Materialien sind vielversprechende Katalysatoren für die selektive Umwandlung von Ethanol. Die Ergebnisse der Studie sind in Catalysis Today veröffentlicht worden. Eine andere Gruppe synthetisierte zwei heterometallische Cluster mit fast 100 % Effizienz – mögliche Katalysatoren für Pharmazie, Herstellung von Polymeren und andere Zweige der chemischen Industrie. Eine dritte (internationale) Gruppe hatte bereits im vergangenen Oktober in amorphem Titanoxid einen weiteren Kat-Ersatz gefunden.

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Synthese von Katalysatoren für die Umwandlung von Ethylalkohol: Die erhaltenen Materialien sind vielversprechende Katalysatoren für die selektive Umwandlung von Ethanol – wichtiger Schritt in der Entwicklung einer alternativen Technologie zur Gewinnung wertvoller chemischer Syntheseprodukte auf der Basis pflanzlicher Rohstoffe – Grafik © laut Eurekalert Verwendung frei, RUDN Universität

Der Ethanol wird aus pflanzlichem Material durch Fermentation von industrieller oder landwirtschaftlicher Abfallbiomasse hergestellt. Er wird als weniger umweltschädlicher Kraftstoff im Vergleich zu Benzin eingesetzt. Aber das ist nicht seine einzige Verwendung – Ethanol kann in Acetaldehyd, Diethylether und andere Chemikalien umgewandelt werden, die in der Industrie gefragt sind. Um solche chemischen Reaktionen auszulösen, werden hocheffiziente Katalysatoren benötigt. Bestehende Katalysatoren enthalten jedoch Edelmetalle und sind daher zu teuer in der Anwendung. Chemiker der RUDN Universität haben jetzt neue Katalysatoren vorgeschlagen, die auf Aluminium und Zirkonium basieren und mit Kupfer modifiziert worden sind.

„Die bekanntesten Katalysatoren für die Ethanolumwandlung basieren auf Oxiden, die durch Edelmetalle gefördert werden. Sie sind jedoch recht teuer. Eine erschwinglichere Option sind Katalysatoren mit Kupfer als aktiver Phase, aber bisher wurde die beste Option unter ihnen noch nicht gefunden. Bei der Verwendung dieser Katalysatoren sind Verbesserungen erforderlich, um sowohl einen hohen Umsatz als auch eine hohe Selektivität der Reaktion zu gewährleisten – das heißt, so wenig Ethanol wie möglich unverarbeitet zu lassen und gleichzeitig die benötigten Substanzen und keine Nebenprodukte zu erhalten“, erklärt Anna Zhukova, assoziierte Professorin, PhD, vom Department für Physikalische und Kolloidale Chemie der RUDN Universität.

Die RUDN-Chemiker kombinierten zwei Ansätze, um die Effizienz der Katalysatoren für die Acetaldehydsynthese zu verbessern. Zunächst kombinierten sie Oxide mehrerer Metalle in Nanokompositen: Aluminium, Cer und Zirkonium. Die Forscher synthetisierten fünf Arten von Pulvern mit unterschiedlichen Oxidverhältnissen. Fünf davon wurden bei einer relativ niedrigen Temperatur von 180°C hergestellt, fünf weitere wurden auf 950°C erhitzt. Dadurch war es möglich, unterschiedliche Strukturen in den Materialien zu bilden. Die kalzinierten Proben hatten einen großen Durchmesser und ein großes Porenvolumen.

Die zweite Idee war, Kupfer hinzuzufügen. Alle Pulver wurden in einer wässrigen Lösung von Kupfernitrat getränkt, bei Raumtemperatur getrocknet und bei 400 °C einem Wasserstoffstrom ausgesetzt. Danach wurden die fertigen Katalysatoren in der Ethanol-Dampf-Dehydrierungsreaktion getestet. Die Chemiker legten sie in einer dünnen Schicht auf einen porösen Filter und führten dann Alkoholdämpfe im Heliumstrom zu. Die Reaktion wurde bei Temperaturen von 240 bis 360 °C durchgeführt.

„Alle erhaltenen Systeme zeigten hohe Alkoholumwandlung und Selektivität zu Acetaldehyd. Die kupferhaltigen Katalysatoren mit 5 % Aluminiumoxid produzierten signifikante Mengen an Acetaldehyd mit einer Selektivität von mehr als 80 % bei 3.600 °C. Wir fanden heraus, dass die gemischte Zusammensetzung der Oxide Bedingungen für die Bildung von aktiven Zentren auf der Oberfläche des Katalysators aus Kupferionen mit unterschiedlichen Ladungen schafft. Die beste Möglichkeit ist es, bei der Synthese des Katalysators eine Mischung von Oxiden mit einem geringen Gehalt an Aluminium zu verwenden und diese bei 950 °C zu kalzinieren“, sagte Anna Zhukova von der RUDN Universität.

Weiterer Ersatz für kostspielige Edelmetall-Katalysatoren

UDN-Chemiker haben der Internetseite der russischen Universität für Völkerfreundschaft zufolge einen grundlegend neuen Katalysator für die Ameisensäure-Photooxidation synthetisiert, die als aussichtsreichste Quelle für Brennstoffzellen-Wasserstoff gilt. Ein Katalysator auf Basis von amorphem Titanoxid ist ein neues Instrument für die Umwandlung von Ameisensäure. In der Zukunft wird er es ermöglichen, die traditionellen kostspieligen Katalysatoren auf der Basis von Palladium, Platin und Ruthenium aufzugeben.

Die Entwicklung der Wasserstoffenergetik ist ohne Methoden zur sicheren Speicherung und Erzeugung von Wasserstoff nicht möglich. Ameisensäure ist eine ungiftige und hochstabile Quelle von Wasserstoff. ?2 und ??2 werden durch Zersetzung der Säure unter Lichteinstrahlung auf Katalysatoren’NPs gewonnen, deren Rolle von Platin, Palladium und anderen teuren Metallverbindungen erfüllt wird. Die Chemiker beschlossen zu testen, welche Produkte der Ameisensäure-Photooxidation erhalten werden, wenn das billigere geschichtete amorphe Oxid des Titans als Katalysator verwendet wird.

Professor Rafael Luque, United Institute of Chemical Research RUDN und seine Kollegen aus dem Iran, Spanien, China und Südkorea synthetisierten einen Katalysator – amorphes Titanoxid auf Basis einer organischen Silikatmatrix. Am Anfang erhielten die Chemiker ein mesoporöses (2-50 nm) Matrixmaterial, in dem verbrückende dimere Gruppen der organischen Viologenverbindung vorhanden waren. Später wurde der Vorläufer – Titanbutoxid geladen, gefolgt von der Trocknung der Matrix bei 60 ? ? und ihrer Umwandlung in amorphes Titanoxid.

Die Chemiker führten die Reaktion der Ameisensäureoxidation unter verschiedenen Bedingungen durch: verschiedene Temperaturregime (von 25 bis 60? ?) und verschiedene Menge des Katalysators aus amorphem Titanoxid (von 5 bis 20 mg), mit verschiedenen Lösungsmitteln (Wasser, Ethanol, Methanol und andere). Die Ergebnisse der Experimente zeigten, dass die schnellste Reaktion unter UV-Strahlung, in Wasser und bei Raumtemperatur abläuft und nur C?2 und ?2? liefert. Weder Wasserstoff noch Kohlenmonoxid, die jeden Photooxidationskatalysator vergiften, wurden in den Produkten identifiziert. Die Bildung solcher Produkte ist auf die nichtkristalline Struktur des Katalysators zurückzuführen. In ihrer Arbeit haben die Autoren den Mechanismus der Photooxidation herausgearbeitet und die grundlegenden Stufen spezifiziert.

Die Autoren fanden auch heraus, dass Viogene die Qualität des Katalysators verbessern, weil sie bei der Photokatalyse Elektronen-Protonen-Dämpfe erzeugen und so die Lebensdauer des Katalysators verlängern. Der Katalysator lässt sich leicht aufbereiten und in mindestens vier Zyklen ohne merkliche Alterung wiederverwenden.

Die Wissenschaftler haben einen Beitrag zur Entwicklung der chemischen Grundlagen geleistet, indem sie einen neuen Mechanismus der Ameisensäurebildung untersucht haben. Die Ergebnisse der vorliegenden Forschung werden es ermöglichen, die Risiken und Aufwendungen bei der gemeinsamen Nutzung dieses Katalysatortyps in der zukünftigen Entwicklung zu minimieren.

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