20.05.2022 - University of Pittsburgh

Nachhaltige neue chemische Katalysatoren schaffen

Chemieingenieure zeigen, wie Wolframoxid als Katalysator für nachhaltige chemische Umwandlungen eingesetzt werden kann

Ingenieure sind bei einer Vielzahl von Anwendungen, von der Lebensmittelherstellung bis zur chemischen Produktion, auf Katalysatoren angewiesen. Die Suche nach effizienten, umweltfreundlichen Katalysatoren ist daher ein wichtiger Forschungszweig.

Neue Forschungsarbeiten unter der Leitung der Swanson School of Engineering der Universität Pittsburgh könnten zur Entwicklung neuer, nachhaltiger Katalysatoren auf der Grundlage von Wolframoxid und ähnlichen Verbindungen führen.

In dem Projekt wurde mit Hilfe von Computersimulationen untersucht, wie Wolframoxid mit Wasserstoff auf molekularer Ebene interagiert. Die Ergebnisse wurden durch Laborexperimente verifiziert.

Ein Artikel über die Ergebnisse wurde kürzlich auf der Titelseite des Journal of the American Chemical Society (JACS) veröffentlicht. Die Arbeit wurde von einem Team am Department of Chemical and Petroleum Engineering geleitet: Doktorand Evan V. Miu, Assistenzprofessor James McKone und Associate Professor und Bicentennial Alumni Faculty Fellow Giannis Mpourmpakis.

„Wolframoxid ist ein Katalysator, der zur Beschleunigung nachhaltiger chemischer Umwandlungen durch die Nutzung von Sonnenlicht oder erneuerbarer Elektrizität eingesetzt werden kann. Diese chemische Verbindung interagiert auf einzigartige Weise mit Wasserstoffatomen, weshalb sie besonders geeignet ist, an chemischen Reaktionen teilzunehmen, bei denen Wasserstoff erzeugt oder verwendet werden muss“, so Mpourmpakis.

„Zu den chemischen Reaktionen, die uns am meisten interessieren, gehört die Verwendung von Wasserstoff zur Umwandlung von Kohlendioxid – dem Hauptverursacher der globalen Erwärmung – in nützliche Brennstoffe und Chemikalien“, fügte McKone hinzu.

Während die meisten Katalysatoren nur an ihrer Oberfläche mit Molekülen wie Wasserstoff interagieren, kann Wolframoxid auch Wasserstoff in sein dreidimensionales Kristallgitter einbauen. Die fortschrittliche Modellierung der Forscher konnte zeigen, dass dieser Prozess einen großen Einfluss auf die tatsächlichen Vorgänge an der Oberfläche des Katalysators hat.

Die Arbeit eröffnet mit Hilfe des rechnerischen Ansatzes des Teams zur Vorhersage ihrer katalytischen Eigenschaften die Möglichkeit, eine ganz neue Familie von Katalysatoren auf der Grundlage von Wolframoxid und ähnlichen Verbindungen zu entwerfen.

„Es ist nicht übertrieben zu sagen, dass wir eine Linie ziehen können zwischen der subtilen Wissenschaft dieser Studie und der Möglichkeit, einen großen Teil der chemischen Produktion neu zu erfinden, um sie umweltverträglicher zu machen“, so McKone. „Wir können Katalysatoren entwerfen, die Wasserstoff auf genau die richtige Art und Weise bereitstellen, um chemische Umwandlungen durchzuführen, die mit Wasser und Elektrizität genauso effizient ablaufen wie die, die wir heute mit fossilen Brennstoffen durchführen.“

Das Projekt war eine Zusammenarbeit zwischen dem CANELa Lab von Mpourmpakis und dem McKone Lab, in dem Erstautor Miu als NSF-Graduiertenstipendiat an der Überbrückung von thermischer und elektrischer Katalyse arbeitet und sowohl experimentelle als auch rechnerische Methoden anwendet.

„Die Zusammenarbeit mit den Professoren Mpourmpakis und McKone hat mir die unglaubliche Möglichkeit gegeben, an der Schnittstelle von Theorie und Experiment zu arbeiten“, sagt Miu. „Mit diesen sich ergänzenden Sichtweisen konnten wir ein tiefes Verständnis gewinnen, wie Metalloxidbronzen Wasserstoff katalysieren, und wir freuen uns darauf, unsere Erkenntnisse anzuwenden und bedeutende Schritte in Richtung nachhaltigerer chemischer Prozesse zu machen.“

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