26.04.2021 - University of Tokyo

Nachhaltige chemische Synthese mit Platin

Mit einem neuen Katalysator kann Holz Erdöl in der Kohlenwasserstoffsynthese ersetzen

Mit Hilfe von Platin- und Aluminiumverbindungen haben Forscher einen Katalysator geschaffen, der bestimmte chemische Reaktionen effizienter als je zuvor ablaufen lässt. Der Katalysator könnte den Energieverbrauch in verschiedenen industriellen und pharmazeutischen Prozessen erheblich reduzieren. Außerdem ermöglicht er eine breitere Palette nachhaltiger Quellen zur Speisung der Prozesse, was den Bedarf an fossilen Brennstoffen, die diese benötigen, reduzieren könnte.

Es gibt viele Chemikalien, die in einer Vielzahl von Industrien, einschließlich der Pharmazie, verwendet werden, die Sie im Alltag wahrscheinlich nicht wahrnehmen; zum Beispiel Benzol, Toluol, Xylol und Ethylbenzol, um nur einige zu nennen. Diese entstehen in chemischen Produktionsanlagen, die Erdöl für die entsprechenden Prozesse verwenden. Aber es gibt jetzt einen Weg, diese Chemikalien auf eine nachhaltigere Weise zu produzieren.

Die Assistenzprofessoren Xiongjie Jin und Kyoko Nozaki vom Fachbereich Chemie und Biotechnologie der Universität Tokio haben mit ihrem Team einen neuen Katalysator entwickelt, ein Material, das eine bestimmte chemische Reaktion ermöglicht oder beschleunigt und so eine nachhaltigere Produktion von sogenannten aromatischen Kohlenwasserstoffen ermöglicht. Zurzeit erfordert der Prozess typischerweise Temperaturen von 200 Grad Celsius oder mehr und Drücke von 2 oder mehr Atmosphären. Mit dem neuen Katalysator des Teams kann die Temperatur jedoch auf 100 bis 150 Grad Celsius und der Druck auf nur eine Atmosphäre, also Umgebungsdruck, gesenkt werden. Dies könnte die Energiekosten für die Produktion enorm senken.

"Unser 'Pt-Katalysator' nutzt Platin-Nanopartikel und ein Aluminium-Metaphosphat-Substrat, das selten in Katalysatoren verwendet wird", sagt Jin. "Quellmoleküle, die mit diesem Katalysator bei der richtigen Temperatur und dem richtigen Druck interagieren, spalten sich in nützliche aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen auf. Dieser Prozess wird Hydrogenolyse genannt. Aber das Spannendste für uns ist nicht nur, dass der Katalysator die Reaktionseffizienz verbessert, sondern dass er neue Optionen für die Arten von Ausgangsmaterialien eröffnet, die nun in diesen Prozessen verwendet werden können."

Derzeit werden nicht erneuerbare erdölbasierte Substanzen zur Herstellung aromatischer Kohlenwasserstoffe verwendet, was auf lange Sicht kein nachhaltiges Szenario ist. Der Pt-Katalysator ermöglicht die Verwendung von nachwachsender, holzartiger Biomasse als Ausgangsmaterial, insbesondere einer Familie von Verbindungen, die als Lignine bekannt sind und Phenole enthalten, die die Grundlage der fraglichen Reaktionen bilden. Ein weiterer Vorteil des Pt-Katalysators ist, dass er recycelt und mehrfach wiederverwendet werden kann. All diese Faktoren zusammengenommen könnten zu einem wesentlich nachhaltigeren Weg führen, aromatische Kohlenwasserstoffe im industriellen Maßstab zu produzieren.

"Wir hoffen, dass unsere Studie zu den Zielen für nachhaltige Entwicklung (der Vereinten Nationen) beiträgt, indem wir industriell wichtige Chemikalien aus erneuerbaren Ressourcen anstelle von Erdöl und zu geringeren Energiekosten herstellen", so Jin. "Unsere nächsten Schritte werden darin bestehen, die Lebensdauer des Pt-Katalysators weiter zu erhöhen und den Katalysator direkt auf Lignine wirken zu lassen, sodass er nicht erst in Phenole zerlegt werden muss, bevor die Reaktionen stattfinden können."

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