Beschleunigter Ansatz führt zur Entdeckung eines neuen katalytischen Promotors, der jahrzehntelange Studien auf dem Niveau hält

Um den Klimawandel zu bekämpfen, müssen etablierte chemische Prozesse überdacht werden, und zwar auf einer Zeitskala von Jahren statt Jahrzehnten wie in traditionellen F&E-Zyklen. In Zusammenarbeit mit BasCat (UniCat BASF JointLab) entwickelte ein Forscherteam der Theorieabteilung des Fritz-Haber-Instituts einen beschleunigten Entdeckungsansatz, um eine vielversprechende katalytische Promotorformulierung für die Umwandlung von Propan in die Basischemikalie Propylen zu identifizieren.

Der neuartige Katalysator wurde innerhalb weniger Wochen und mit weniger als 100 durchgeführten Experimenten entdeckt und steht denen in nichts nach, die in Jahrzehnten der Forschung entdeckt wurden. Die Ergebnisse, veröffentlicht In ACS-Katalyseheben nicht nur den Erfolg der Partnerschaft hervor, sondern eröffnen auch Möglichkeiten für eine effizientere und fundiertere Entwicklung von Multi-Promoter-Formulierungen.

Katalyse spielt in der chemischen Industrie eine entscheidende Rolle und beeinflusst zahlreiche Aspekte des täglichen Lebens, wie etwa die Kunststoffproduktion, die Arzneimittelentwicklung und die Herstellung von Kraftstoffen und Düngemitteln. Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen und verbessern ihre Selektivität für gewünschte Produkte, während sie gleichzeitig Energieverbrauch und Abfall reduzieren.

Obwohl Leistung und Lebensdauer von Katalysatoren durch den Einsatz von Promotoren weiter gesteigert werden können, ist deren Identifizierung und Optimierung oft mühsam, zeitaufwändig und kostspielig.

Die Zusammenarbeit des Instituts mit BasCat konzentriert sich auf Grundlagenforschung im Bereich der heterogenen Katalyse und insbesondere auf die katalytische Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in wertschöpfende Produkte.

Die Forschung des Teams schlug einen beschleunigten Entdeckungsansatz vor, der einen Multi-Promotor-Designraum mit nur einer begrenzten Anzahl von Experimenten untersucht, basierend auf einer effizienten adaptiven Versuchsplanung (Design-of-Experiment, DoE) und einer Durchsatzmaximierung durch parallelisierte Tests. Der Designraum umfasste etwa 20.000 mögliche Promotorkombinationen für die nichtoxidative Propandehydrierung zu Propylen unter Verwendung von Platin auf Aluminiumoxid als Katalysator.

Eine umfassende experimentelle Prüfung hätte jahrelange Forschung erfordert. Stattdessen gelang es ihnen mit ihrem Entdeckungsansatz, eine vielversprechende neue Promotorformulierung zu identifizieren, indem sie innerhalb weniger Wochen weniger als 100 Experimente durchführten.

Propylen ist derzeit ein entscheidender chemischer Rohstoff für die Polymerproduktion und man geht davon aus, dass der Bedarf bis 2030 auf 200 Megatonnen ansteigen wird. Bestehende Crackprozesse reichen leider nicht aus, um diesen erwarteten Bedarf zu decken und neuere kommerziell angewandte Prozesse stoßen noch immer an ihre Grenzen, wenn es darum geht, hohe Produktausbeuten zu erzielen.

Folglich werden die Entdeckung neuer Kombinationen hochwirksamer Multipromotoren und ein tieferes Verständnis der chemischen Mechanismen, die ihrer fördernden Wirkung zugrunde liegen, als entscheidende Elemente angesehen.