Lösung für die Kunststoffknappheit

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Neuer Katalysator könnte Versorgung mit einem der wichtigsten Kunststoffe stabilisieren

Auch wenn die Meere allmählich übervoll davon sind: Kunststoffe und Lebensmittelverpackungen, Automobilkomponenten, Kleidung, medizinische und Laborgeräte und zahllose andere Güter werden – nicht nur wegen Corona – Mangelware. Doch ein neuer, an der Universität von Michigan entwickelter chemischer Katalysator könnte die Produktion von mehr Rohstoffen für den (nach Polyethylen) weltweit am zweithäufigsten verwendeten Kunststoff ermöglichen – so Gabe Cherry am 08.07.2021 auf der Internetseite der Uni Michigan. Das Ausgangsmaterial, Propylen, wird zur Herstellung des Kunststoffs Polypropylen verwendet – acht Millionen Tonnen pro Jahr. Veröffentlicht unter dem Titel „Stabile und selektive Katalysatoren für die Propandehydrierung am thermodynamischen Limit“ in Science.

neue Katalysator, der mit dessen Hilfe Propylen aus Erdgas herstellen kann, ist mindestens zehnmal effizienter als derzeitige kommerzielle Katalysatoren. Und er hält zehnmal länger, bevor er regeneriert werden muss. Er besteht aus Platin- und Zinn-Nanopartikeln, die von einem Gerüst aus Siliziumdioxid getragen werden.“Die  Industrie  hat sich im Laufe der Jahre von Erdöl auf Schiefergas verlagert“, sagt Suljo Linic, Professor of Chemical Engineering an der Universität von Michigan (U-M) und Hauptautor der in Science veröffentlichten Arbeit. „Deshalb wurde nach einer Möglichkeit gesucht, Propylen effizient aus Propan, einem Bestandteil von Schiefergas, herzustellen. Mit diesem Katalysator wird dieses Ziel erreicht.“

Das Geheimnis der effizienten „nicht-oxidativen Dehydrierung“

Propylen wird traditionell in Ölraffinerien in riesigen Steamcrackern hergestellt, die das Erdöl-Einsatzmaterial in leichtere Kohlenwasserstoffmoleküle aufspalten. Aber das Cracken von Schiefergas zur Herstellung von Propylen war bisher ineffizient. Der neue Katalysator kann Propylen – ein Molekül mit drei Kohlenstoffatomen und sechs Wasserstoffatomen – effizient aus Propan herstellen, das zwei zusätzliche Wasserstoffatome hat. Er verwendet einen Prozess, der nicht-oxidative Dehydrierung genannt wird. Einer der Gründe, warum aktuelle Katalysatoren ineffizient sind, ist, dass sie die Zugabe von Wasserstoff in den Prozess erfordern. Dieser Katalysator benötigt das nicht.

Die Schlüsselinnovation des neuen Katalysators ist die Verwendung von Siliziumdioxid als Trägerstruktur für die Platin- und Zinn-Nanopartikel anstelle des Aluminiumoxids, das in aktuellen Katalysatoren verwendet wird. Tonerde interagiert mit Zinn, was dazu führt, dass es sich vom Platin trennt und den Katalysator zersetzt. Da der neue Katalysator diese Wechselwirkung abhält, hat er eine längere Lebensdauer. „Siliziumdioxid als Träger für Platin-Zinn-Nanopartikel wurde schon früher ausprobiert, aber die konventionellen Synthesetechniken waren nicht präzise genug, um eine enge Wechselwirkung zwischen Platin und Zinn zu ermöglichen“, sagt Ali Hussain Motagamwala, ein Postdoc-Forschungsstipendiat an der U-M und Erstautor der Arbeit. „Wir haben dies überwunden, indem wir zunächst einen Platin-Zinn-Komplex mit ausgezeichneter Wechselwirkung synthetisiert haben. Anschließend haben wir diesen Komplex auf Siliziumdioxid aufgebracht, um einen sehr gut definierten Katalysator herzustellen, der bei der nicht-oxidativen Propandehydrierung aktiv, selektiv und stabil ist.“

Ein Schlüssel zur Kommerzialisierung wird sein, einen Weg zu finden, den Katalysator zu regenerieren, nachdem er durch Kohlenstoff verschmutzt wurde. Obwohl aktuelle Katalysatoren nur kurzlebig sind, so Linic, hat die chemische Industrie ein kompliziertes System entwickelt, das den verschmutzten Katalysator schnell und effizient regenerieren kann. Ein ähnliches System wird für den neuen Katalysator entwickelt werden müssen.

Stabilisierung der Propylenvorräte

„Der Bau von Anlagen, die diesen Prozess im kommerziellen Maßstab betreiben würden, wäre eine massive Investition, und aus diesem Grund neigt die chemische Industrie dazu, sich langsam zu bewegen“, sagte er. „Dieser Katalysator ist sehr gut, aber die Regeneration ist die nächste große Frage.“

Während sich der Katalysator noch im Forschungsstadium befindet, birgt er die Möglichkeit, die weltweiten Propylenvorräte zu stärken, die durch die rasant steigende globale Nachfrage, COVID-bedingte Produktionsprobleme und eine Reihe von hurrikanbedingten Stillständen in den Ölraffinerien an der Golfküste, die die Chemikalie produzieren, erschöpft sind.

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