Gold als Lösung für große Herausforderung der Katalyse

Veröffentlicht amAutorgh

Noch bis vor kurzem als inert angesehen

Forscher der Universität Cardiff haben in Zusammenarbeit mit Kollegen der Lehigh University (Bethlehem, PA, USA) und des Nationalen Zentrums für Magnetische Resonanz in Wuhan (China) eine einfache, kostengünstige Methode zur direkten Umwandlung von Erdgas in nützliche Chemikalien und Kraftstoffe unter Verwendung des Edelmetalls Gold als Schlüsselkomponente gefunden. Einige meinen zwar (vor allem in der Taxonomie-Diskussion), Erdgas sei  einer der umweltfreundlichsten fossilen Brennstoffe, doch bei seiner Verbrennung (und der Produktion von Methan, das 70-90 % des Erdgases ausmacht) werden immer noch gefährliche Treibhausgase emittiert.

Goldstaub – Foto © Savana Price, pixabay

Dies wiederum hat Forscher dazu veranlasst, neue Wege zu finden, um Methan auf kohlenstoffarme Weise in nützlichere Produkte wie Kraftstoffe und Chemikalien umzuwandeln. In einer am 06.01.2021 in Nature Catalysis veröffentlichten Studie („Au-ZSM-5 catalyses the selective oxidation of CH4 to CH3OH and CH3COOH using O2„) hat das Team unter der Leitung von Forschern des Cardiff Catalysis Institute erstmals die direkte Umwandlung von Methan in Methanol und Essigsäure mit Hilfe eines Goldkatalysators nachgewiesen. Bisher war dies nur auf indirektem Wege möglich, der mehrere Schritte umfasst, die sehr energieaufwändig und kostspielig sind.

Um die Bildung von Methanol und Essigsäure zu erreichen, hat das Team Methan mit Sauerstoff in Gegenwart eines Katalysators aus Gold und dem Zeolith ZSM-5 umgesetzt. Bei der Untersuchung des Katalysators mit Hilfe der Hochleistungselektronenmikroskopie stellte sich heraus, dass der aktive Katalysator keine Goldatome oder -cluster enthielt, sondern Goldnanopartikel – extrem kleine Teilchen mit einer Größe von 3 bis 15 Nanometern, die deutlich andere physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen können als ihre größeren Gegenstücke.

Die Herstellung von Methanol mit diesem Katalysator war zu erwarten, doch die Neuigkeit der Methode lag in der Herstellung von Essigsäure, einer weit verbreiteten Industriechemikalie, die in großen Mengen zur Herstellung von Produkten wie Tinte für den Textildruck, Farbstoffen, Fotochemikalien, Pestiziden, Arzneimitteln, Gummi und Kunststoffen verwendet wird. Methanol hingegen wird häufig als Vorprodukt für viele andere chemische Grundstoffe und als Biokraftstoff verwendet.

Christopher J. Kiely, Direktor der Materials Characterization Facility an der Lehigh University und Leiter der jährlich stattfindenden Lehigh Microscopy Schools, bezeichnete die 1982 von Masatake Haruta, dem Präsidenten der Katalyse-Gesellschaft von Japan, gemachte Entdeckung, dass Gold (Au) ein hohes Maß an katalytischer Aktivität für die Oxidation von Kohlenmonoxid (CO) besitzt, wenn es auf einem Metalloxid abgeschieden wird, als „eine bemerkenswerte Wendung in der Nanotechnologie“ – bemerkenswert deshalb, weil man lange Zeit davon ausging, dass Gold für die Katalyse inaktiv ist. Haruta hatte gezeigt, dass auf Eisenoxid dispergiertes Gold die Umwandlung von schädlichem Kohlenmonoxid in harmloseres Kohlendioxid (CO2) bei Raumtemperatur effektiv katalysiert – eine Reaktion, die für die Konstruktion von Atemschutzmasken für Feuerwehrleute und für die Entfernung von CO aus der Wasserstoffzufuhr für Brennstoffzellen entscheidend ist. Tatsächlich werden Goldkatalysatoren heute in großem Umfang für die Ökologisierung vieler wichtiger Reaktionen in der chemischen Industrie genutzt, da sie zu saubereren, effizienteren Reaktionen mit weniger Nebenprodukten führen können. Haruta und Graham J. Hutchings, die den Einsatz von Gold als Katalysator für verschiedene Reaktionen mitentdeckten, sind als Thompson Reuters Citation Laureates bekannt und stehen jedes Jahr auf der ScienceWatch Nobelpreis-Vorschlagsliste. Ihre Pionierarbeit eröffnete einen neuen Bereich wissenschaftlicher Forschung und setzte eine jahrzehntelange Debatte darüber in Gang, welche Art von Goldträgern für die CO-Oxidationsreaktion am effektivsten ist. 2008 untersuchte Hutchings, Regius-Professor für Chemie und Direktor des Cardiff Catalysis Institute an der Universität Cardiff, in Zusammenarbeit mit Kiely, Harold B. Chambers Senior Professor Materials Science and Engineering an der Lehigh University, mit Hilfe von Elektronenmikroskopietechnik, die in den 80er und 90er Jahren noch nicht zur Verfügung stand, die Struktur von Goldträgern im Nanobereich. Ein Nanometer (nm) entspricht einem Milliardstel eines Meters oder etwa dem Durchmesser von fünf Atomen.

Trotz der bekannten Trägheit des Edelmetalls Gold haben Wissenschaftler des Cardiff Catalysis Institute in einer bahnbrechenden Forschungsarbeit nachgewiesen, dass es sich tatsächlich um einen äußerst effizienten und zuverlässigen Katalysator handelt, der in vielen wichtigen industriellen Prozessen wirksam eingesetzt werden kann. Der Mitautor der Studie, Professor Graham Hutchings,sagte: „Die Oxidation von Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas, zur selektiven Bildung sauerstoffhaltiger chemischer Zwischenprodukte unter Verwendung von molekularem Sauerstoff ist seit langem eine große Herausforderung in der Katalyse. Wir haben dies in dieser Studie zum ersten Mal erfolgreich demonstriert und damit einen wichtigen ersten Schritt zur Herstellung wichtiger Kraftstoffe und Chemikalien auf einfache und kostengünstige Weise getan.“

->Quellen: