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Interaktive Größenkontrolle von Katalysator-Nanopartikeln

10.12.2018

IPC PAS, Grzegorz Krzyzewski, courtesy of kolorado.com.pl

Forscher des Instituts für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau haben eine interaktive Methode entwickelt, um die Größe der Katalysator-Nanopartikel während des Flusses in mikrofluidischen Geräten zu verändern.

IPC PAS, Grzegorz Krzyzewski

In mikrofluidischen Geräten kann die Größe der Katalysator-Nanopartikel interaktiv verändert werden.

5 nm, 10 nm, oder vielleicht 15 nm? Wie groß sollten die Nanopartikel eines Katalysators sein, um den Verlauf der Reaktion zu optimieren? Forscher suchen die Antwort meist in mühsamen, sich wiederholenden Tests. Am Institut für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau wurde eine qualitativ neue Technik entwickelt, um den Prozess einer solchen Optimierung in mikrofluidischen Systemen zu verbessern. Die Größe der Katalysator-Nanopartikel kann nun interaktiv verändert werden, während eines kontinuierlichen Stroms durch das Katalysatorbett.

Die Leistung von Metallträgerkatalysatoren hängt oft von der Größe der Metallnanopartikel ab. In der Regel wird ihre Größe in vielen aufeinander folgenden, aufwändigen Tests ermittelt. Das Verfahren ist nicht flexibel genug: Sobald die Reaktionen begonnen haben, kann mit dem Katalysator nichts mehr gemacht werden. Am Institut für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IPC PAS) in Warschau wurde in der Gruppe von Dr. Jacinto Sa eine neue Technik entwickelt, die es ermöglicht, chemische Reaktionen während des kontinuierlichen mikrofluidischen Flusses durch das Katalysatorbett und damit buchstäblich "on the fly" zu optimieren. Dies wurde durch interaktive Kontrolle der Größe der Katalysator-Nanopartikel erreicht. Aufgrund seiner Einfachheit und Effizienz soll diese innovative Technik bald unter anderem bei der Erforschung der neuen Katalysatoren für die Pharma- und Parfümerieindustrie eingesetzt werden.

"Die Strömungskatalyse wird immer beliebter, weil sie zur Intensivierung branchenrelevanter Prozesse führt. Unsere Technik ist der nächste Schritt in diese Richtung: Wir reduzieren den Zeitaufwand für die Größenbestimmung von Katalysator-Nanopartikeln. So können wir die chemischen Reaktionen schneller optimieren und sogar interaktiv ihren Verlauf ändern. Ein wichtiges Argument ist hier auch die Tatsache, dass der gesamte Prozess in einem kleinen Gerät durchgeführt wird, so dass wir die Kosten für zusätzliche Geräte senken", sagt Dr. Sa.

Wissenschaftler des IPC PAS demonstrierten ihre Leistung mit einem System auf Basis eines handelsüblichen Strömungsmikroreaktors, der mit einer austauschbaren Kartusche mit einem entsprechend ausgelegten Metallkatalysator ausgestattet ist. Durch Elektrolyse von Wasser könnte der ausgewählte Mikroreaktor dem Katalysatorbett Wasserstoff zuführen, der für die Hydrierung von chemischen Verbindungen in der strömenden Flüssigkeit notwendig ist. Das Reaktionsmedium war eine Lösung von Citral, einer organischen Aldehydverbindung mit Zitronenduft.

Der im Experiment verwendete Nickelkatalysator NiTSNH2 in Form eines feinen Schwarzpulvers wurde zuvor am IPC PAS entwickelt. Es besteht aus Körnern aus Polymerharz, die mit Nickel-Nanopartikeln bedeckt sind. Die Korngröße beträgt ca. 130 Mikrometer und die Nanopartikel des Katalysators sind zunächst 3-4 Nanometer.

"Der Kern unserer Leistung besteht darin, zu zeigen, wie man die Morphologie von Katalysator-Nanopartikeln in einer Sequenz mit einer chemischen Reaktion modifizieren kann. Nach jeder Größenänderung der Nanopartikel erhalten wir sofort Informationen über die Wirkung dieser Modifikation auf die Katalysatoraktivität. Daher ist es einfach zu beurteilen, welche Nanopartikel für eine bestimmte chemische Reaktion optimal sind", erklärt Doktorand Damian Gizinski (IPC PAS).

Im System vergrößerten die Forscher die Größe der Katalysator-Nanopartikel kontrolliert auf 5, 9 und 12 nm. Der Wachstumseffekt wurde durch Spülen des Katalysatorbettes mit einer nickelfreien Alkohollösung erreicht. Im Bett wurden sie auf den vorhandenen Nanopartikeln abgeschieden und unter dem Einfluss von Wasserstoff reduziert. Die endgültige Größe der Nanopartikel hängt hier von der Einwirkzeit auf die Lösung mit Ni2+-Ionen ab.

In der Reaktion mit Citral wurden die besten katalytischen Leistungen mit 9 nm Nanopartikeln erreicht. Die Forscher beobachteten auch, dass bis zu 9 nm das Wachstum von Nanopartikeln die Umleitung der Reaktion auf die Citronellproduktion begünstigte, während oberhalb dieses Wertes der Weg zum Citronellol bevorzugt wurde (Unterschiede ergaben sich daraus, dass kleinere Nanopartikel die selektive Hydrierung der ungesättigten Bindung C=C bevorzugten, während größere sowohl die Bindung C=C als auch die Carbonylbindung C=O aktivierten). Diese beiden Verbindungen haben leicht unterschiedliche Eigenschaften: Citronellal wird zur Abwehr von Insekten, insbesondere von Mücken, und als Antimykotikum eingesetzt; Citronellol wehrt nicht nur Insekten ab, sondern zieht auch Milben an, es wird auch zur Herstellung von Duftstoffen verwendet.

Für mögliche Anwendungen der neuen Technik ist es wichtig, dass die Katalysatoren nach der Modifikation mindestens fünf Stunden in einem kontinuierlichen Fluss der Reaktionslösung stabil waren, sowohl in Bezug auf ihre Aktivität als auch auf ihre Selektivität.

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