Einzelatom-Katalysatoren vorhergesagt und entworfen

Wissenschaftler schufen Katalysator mit 100 % Selektivität bei Propylen-Herstellung

Forscher der Tufts University, des University College London (UCL), der Cambridge University und der University of California in Santa Barbara haben gezeigt, dass ein Katalysator tatsächlich ein Agent der Veränderung sein kann. Die Wissenschaftler haben Einzelatom-Katalysatoren für wichtige chemische Reaktionen vorhergesagt und entworfen. Mithilfe grundlegender Berechnungen molekularer Wechselwirkungen schufen sie einen Katalysator mit 100 % Selektivität bei der Herstellung von Propylen, einem wichtigen Vorprodukt für die Kunststoff- und Textilherstellung.

Komplizierter Experimentaufbau in Berlin-Adlershof – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

In einer am 25.06.2021 in Science veröffentlichten Untersuchung nutzten sie quantenchemische Simulationen auf Supercomputern, um eine neue Katalysatorarchitektur sowie deren Wechselwirkungen mit bestimmten Chemikalien vorherzusagen, und demonstrierten praktisch deren Fähigkeit, das derzeit knappe Propylen zu produzieren, das für die Herstellung von Kunststoffen, Stoffen und anderen Chemikalien dringend benötigt wird. Die Verbesserungen haben das Potenzial für eine hocheffiziente, “grünere” Chemie mit einem geringeren Kohlenstoff-Fußabdruck.

Der Bedarf an Propylen liegt bei etwa 100 Millionen Tonnen pro Jahr (im Wert von etwa 200 Milliarden Dollar), und es ist derzeit einfach nicht genug verfügbar, um die steigende Nachfrage zu decken. Nach Schwefelsäure und Ethylen ist seine Herstellung der drittgrößte Umwandlungsprozess in der chemischen Industrie. Die gängigste Methode zur Herstellung von Propylen und Ethylen ist das Steamcracken, dessen Ausbeute auf 85 % begrenzt ist und das zu den energieintensivsten Prozessen in der chemischen Industrie gehört. Die traditionellen Ausgangsstoffe für die Herstellung von Propylen sind Nebenprodukte aus dem Öl- und Gasgeschäft, aber die Umstellung auf Schiefergas hat die Produktion eingeschränkt.

Typische Katalysatoren, die bei der Herstellung von Propylen aus dem im Schiefergas vorkommenden Propan verwendet werden, bestehen aus Kombinationen von Metallen, die eine zufällige, komplexe Struktur auf atomarer Ebene aufweisen können. Die reaktiven Atome sind in der Regel auf viele verschiedene Arten zusammengeballt, was es schwierig macht, neue Katalysatoren für Reaktionen zu entwerfen, die auf grundlegenden Berechnungen darüber basieren, wie die Chemikalien mit der katalytischen Oberfläche interagieren könnten.

Im Gegensatz dazu verteilen einatomige Legierungskatalysatoren, die an der Tufts University entdeckt wurden und über die 2012 erstmals in Science berichtet wurde, einzelne reaktive Metallatome in einer inerteren Katalysatoroberfläche, und zwar in einer Dichte von etwa einem reaktiven Atom auf 100 inerte Atome. Dies ermöglicht eine wohldefinierte Wechselwirkung zwischen einem einzelnen katalytischen Atom und der zu verarbeitenden Chemikalie, ohne dass diese durch fremde Wechselwirkungen mit anderen reaktiven Metallen in der Nähe beeinträchtigt wird. Reaktionen, die von Ein-Atom-Legierungen katalysiert werden, sind in der Regel sauber und effizient, und wie in der aktuellen Studie gezeigt wurde, sind sie nun durch theoretische Methoden vorhersagbar.

“Wir haben einen neuen Ansatz für das Problem gewählt, indem wir mit unseren Mitarbeitern am University College London und an der Cambridge University Berechnungen nach ersten Prinzipien auf Supercomputern durchgeführt haben, die es uns ermöglichten, vorherzusagen, was der beste Katalysator für die Umwandlung von Propan in Propylen sein würde”, sagte Charles Sykes, der John Wade Professor am Department of Chemistry der Tufts University und korrespondierender Autor der Studie.

Diese Berechnungen, die zu Vorhersagen der Reaktivität auf der Katalysatoroberfläche führten, wurden durch Bildgebung auf atomarer Ebene und durch Reaktionen, die an Modellkatalysatoren durchgeführt wurden, bestätigt. Die Forscher synthetisierten dann Katalysatoren aus einatomigen Legierungsnanopartikeln und testeten sie unter industriell relevanten Bedingungen. In dieser speziellen Anwendung funktionierten Rhodium (Rh)-Atome, die auf einer Kupfer (Cu)-Oberfläche dispergiert waren, am besten bei der Dehydrierung von Propan zur Herstellung von Propylen.

“Die Verbesserung der üblicherweise verwendeten heterogenen Katalysatoren war bisher meist ein Versuch-und-Irrtum-Prozess”, sagt Michail Stamatakis, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen am UCL und Mitautor der Studie. “Mit den Ein-Atom-Katalysatoren können wir aus ersten Prinzipien berechnen, wie Moleküle und Atome an der katalytischen Oberfläche miteinander interagieren, und so die Reaktionsergebnisse vorhersagen. In diesem Fall haben wir vorhergesagt, dass Rhodium sehr effektiv Wasserstoff von Molekülen wie Methan und Propan abziehen würde – eine Vorhersage, die der gängigen Meinung zuwiderlief, sich aber in der Praxis als unglaublich erfolgreich erwies. Wir haben jetzt eine neue Methode für das rationale Design von Katalysatoren.”

Der Ein-Atom-Rh-Katalysator war hocheffizient, mit einer 100-prozentigen Selektivität bei der Produktion des Produkts Propylen, verglichen mit 90 % bei aktuellen industriellen Katalysatoren für die Propylenproduktion, wobei sich die Selektivität auf den Anteil der Reaktionen an der Oberfläche bezieht, der zum gewünschten Produkt führt. “Dieses Maß an Effizienz könnte zu großen Kosteneinsparungen führen und Millionen von Tonnen Kohlendioxid, die nicht in die Atmosphäre ausgestoßen werden, wenn es von der Industrie übernommen wird”, so Sykes.

Die Katalysatoren aus Einzelatom-Legierungen sind nicht nur effizienter, sondern sie neigen auch dazu, Reaktionen unter milderen Bedingungen und niedrigeren Temperaturen ablaufen zu lassen und benötigen daher weniger Energie als herkömmliche Katalysatoren. Sie können billiger in der Herstellung sein, da sie nur einen kleinen Anteil an Edelmetallen wie Platin oder Rhodium benötigen, die sehr teuer sein können. So liegt der Preis für Rhodium derzeit bei rund 22.000 US-Dollar pro Unze, während Kupfer, das 99 % des Katalysators ausmacht, nur 30 Cent pro Unze kostet. Die neuen Katalysatoren aus einer einatomigen Rhodium/Kupfer-Legierung sind auch resistent gegen Verkokung – ein allgegenwärtiges Problem bei industriellen katalytischen Reaktionen, bei denen sich Zwischenprodukte mit hohem Kohlenstoffgehalt – im Grunde genommen Ruß – auf der Oberfläche des Katalysators ablagern und die gewünschten Reaktionen zu behindern beginnen. Diese Verbesserungen sind ein Rezept für eine “grünere” Chemie mit einem geringeren Kohlenstoff-Fußabdruck.

“Diese Arbeit zeigt das große Potenzial von Katalysatoren mit einatomigen Legierungen, um Ineffizienzen in der Katalysatorindustrie zu beseitigen, was wiederum sehr große wirtschaftliche und ökologische Vorteile mit sich bringt”, resümiert Sykes.

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