Wissenschaftler der Cardiff University haben einen Schritt in Richtung eines umweltfreundlicheren, nachhaltigeren Weges zur Herstellung eines Kunststoffmaterials getan, das in einer Reihe von Gegenständen zu finden ist, von Zahnbürsten und Gitarrensaiten bis hin zu medizinischen Implantaten, Baumaterialien und Autoteilen.
In einem neuen Artikel, der heute in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Wissenschaftberichtet das Team über eine brandneue Methode zur Herstellung von Cyclohexanonoxim – einem Vorläufer des Kunststoffmaterials Nylon-6, das ein wichtiges Konstruktionsmaterial ist, das in der Automobil-, Flugzeug-, Elektronik-, Bekleidungs- und Medizinindustrie verwendet wird.
Es wird geschätzt, dass die weltweite Produktion von Nylon-6 bis 2024 voraussichtlich rund 9 Millionen Tonnen pro Jahr erreichen wird, was Wissenschaftler dazu veranlasst, nach umweltfreundlicheren und nachhaltigeren Wegen zur Herstellung von Cyclohexanonoxim zu suchen.
Derzeit wird Cyclohexanonoxim industriell durch ein Verfahren hergestellt, das Wasserstoffperoxid (H2O2), Ammoniak (NH3) und einen Katalysator namens Titanosilikat-1 (TS-1) umfasst.
Das H2O2, das in diesem chemischen Prozess sowie vielen anderen verwendet wird, wird an anderer Stelle hergestellt und muss verschifft werden, bevor es in der chemischen Reaktion verwendet werden kann.
Dies ist ein kostspieliger und kohlenstoffintensiver Prozess, der auch den Transport von hochkonzentriertem H2O2 zum Endverbraucher vor der Verdünnung erfordert, wodurch die großen Mengen an Energie, die während der Konzentration verbraucht werden, effektiv verschwendet werden.
In ähnlicher Weise können die häufig zur Erhöhung der Haltbarkeit von H2O2 verwendeten Stabilisierungsmittel die Lebensdauer des Reaktors begrenzen und müssen häufig entfernt werden, bevor ein Endprodukt entsteht, was zu weiteren wirtschaftlichen und ökologischen Kosten führt.
Um dieses Problem anzugehen, hat das Team eine Methode entwickelt, bei der H2O2 in-situ aus verdünnten Wasserstoff- und Sauerstoffströmen synthetisiert wird, wobei ein Katalysator verwendet wird, der aus Gold-Palladium (AuPd)-Nanopartikeln besteht, die entweder direkt auf das TS-1 geladen werden oder auf einem Sekundärträger.
Nanopartikel, die ungefähr zwischen 1 und 100 Nanometer groß sind, sind aufgrund ihres großen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses im Vergleich zu Massenmaterialien äußerst nützliche Materialien für die Verwendung als Katalysatoren.
Das Verfahren wurde unter Bedingungen durchgeführt, von denen zuvor angenommen wurde, dass sie extrem schädlich für die H2O2-Produktion sind, und kann Ausbeuten an Cyclohexanonoxim erzeugen, die mit denen vergleichbar sind, die in gegenwärtigen kommerziellen Verfahren beobachtet werden, während die mit kommerziellem H2O2 verbundenen Hauptnachteile vermieden werden.
Darüber hinaus konnte das Team die Vielseitigkeit dieses Ansatzes demonstrieren, indem es eine Reihe anderer industriell wichtiger Chemikalien herstellte, die selbst weitreichende Anwendungen haben.
Der Hauptautor der Studie, Dr. Richard Lewis vom Max Planck–Cardiff Center on the Fundamentals of Heterogeneous Catalysis am Cardiff Catalysis Institute, sagte: „Diese Arbeit stellt einen positiven ersten Schritt in Richtung nachhaltigerer selektiver chemischer Transformationen dar und hat die Potenzial, den gegenwärtigen industriellen Weg zu Cyclohexanonoxim zu ersetzen.
„Die Erzeugung von H2O2 durch diesen neuen Ansatz könnte in einer Vielzahl anderer industrieller Anwendungen eingesetzt werden, die derzeit von der Verwendung von TS-1 und H2O2 abhängig sind, was möglicherweise eine grundlegende Veränderung in der industriellen Oxidationschemie darstellt.
„Dies ist ein klarer Beweis dafür, dass durch akademische und industrielle Zusammenarbeit erhebliche Verbesserungen an aktuellen Spitzentechnologien vorgenommen werden können, was zu erheblichen Kosteneinsparungen und einer Verringerung der Treibhausgasemissionen eines großen Industrieprozesses führt.“
Richard J. Lewis et al, Hocheffiziente katalytische Produktion von Oximen aus Ketonen unter Verwendung von in situ erzeugtem H2O2, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abl4822