Forschungsteam kombiniert zwei Katalysatoren, um die Produktion herkömmlicher Chemikalien sicherer und umweltfreundlicher zu machen

Die chemische Industrie wird seit langem von unwillkommenen Bildern von wogenden Schornsteinen und Rohren überschattet, aus denen giftige Abwässer austreten. Moderne Herstellungspraktiken haben viel dazu beigetragen, die Umweltauswirkungen der Branche zu verringern, es gibt jedoch noch Raum für Verbesserungen.

Die Chemie umweltfreundlicher zu machen, ist eine Leidenschaft und ein wichtiger Forschungsschwerpunkt für Karthish Manthiram vom Caltech, Professor für Chemieingenieurwesen und Chemie und William H. Hurt-Stipendiat.

In einem Artikel, der in der Zeitschrift erscheint Wissenschaftbeschreibt Manthirams Labor die Entwicklung eines Katalysators zur Herstellung eines weit verbreiteten chemischen Ausgangsmaterials ohne die giftigen und gefährlichen Chemikalien, die normalerweise für seine Herstellung erforderlich sind.

Bei diesem chemischen Ausgangsstoff, Propylenoxid, handelt es sich um eine organische Verbindung, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird, darunter bei der Herstellung von Schaumstoffen, Kunststoffen und Frostschutzmitteln sowie zur Desinfektion und Sterilisation. Traditionell wird Propylenoxid durch Reaktion von Propylen mit hypochloriger Säure oder Wasserstoffperoxid hergestellt. Jeder hat seinen eigenen Nachteil.

„Bei unterchloriger Säure entsteht am Ende ein Chlorid-Nebenprodukt, das in die Umwelt abgegeben wird. Aus diesem Grund werden immer weniger Genehmigungen für Anlagen erteilt, die das Verfahren mit unterchloriger Säure nutzen“, sagt Manthiram. „Das hat die Menschen gezwungen, auf Prozesse auf Peroxidbasis umzusteigen, aber es gibt eine große Sicherheitsherausforderung. Jedes Mal, wenn Wasserstoffperoxid mit organischen Verbindungen in Kontakt kommt, besteht die Gefahr einer Explosion.“

Das Ziel der Gruppe bestand darin, eine sichere Methode zur Herstellung von Propylenepoxid zu entwickeln, die keine Umweltbelastung verursacht und keinen großen CO2-Fußabdruck hinterlässt. Manthiram sagt, das Team habe zunächst nach einem Katalysator gesucht, der Propylenepoxid unter Verwendung des Sauerstoffatoms in einem Wassermolekül produzieren könne. Das einzige Nebenprodukt wäre Wasserstoffgas, das als Brennstoff oder zur Herstellung anderer Chemikalien verwendet werden kann.

„Die ganze Prämisse war, dass Wasser sicher ist“, sagt er. „Es stellt kein intrinsisches Sicherheitsrisiko dar und es gibt kein umweltschädliches Nebenprodukt des Prozesses. Stattdessen wird Wasserstoff hergestellt, und das ist etwas, aus dem wir in Zukunft mehr machen müssen. Das ist der Ausgangspunkt.“ „

Die Gruppe konzentrierte sich auf zwei Katalysatoren: Platinoxid und Palladiumoxid. Beide führten die vom Team gewünschte Reaktion aus, jedoch nicht gut genug, um nützlich zu sein. Platinoxid produzierte Propylenepoxid mit hoher Geschwindigkeit, aber unordentlich, wodurch viele unerwünschte Nebenprodukte entstanden. Im Gegensatz dazu erzeugte Palladiumoxid Propylenepoxid mit weniger Nebenprodukten, allerdings eher langsam.

Manthiram sagt, die Lösung bestehe darin, die beiden Katalysatoren zu kombinieren.

„Durch die Kombination der beiden wurde das Problem tatsächlich gelöst“, sagt Minju Chung, Hauptautorin und ehemalige Postdoktorandin am Georgia Institute of Technology, jetzt am MIT. „Dann haben wir viel Zeit damit verbracht zu verstehen, warum diese Mischung besser funktioniert. Das ist keine einfache Erklärung.“

Mithilfe der Röntgenabsorptionsspektroskopie (einer Technik, die die atomare und elektronische Struktur von Materialien durch Beschuss mit Röntgenstrahlen aufdecken kann) stellten die Forscher fest, dass in einer Mischung aus Platinoxid und Palladiumoxid das Platin in einem Zustand vorliegt, der die Herstellung ermöglicht es ist ein effizienterer Katalysator.

„Es stellt sich heraus, dass einer der dramatischsten Effekte des Wechsels von Platinoxid zu Palladium-Platinoxid darin besteht, dass man das Platin in einem höheren Oxidationszustand stabilisieren kann“, sagt Manthiram. „In einer höheren Oxidationsstufe werden dem an das Platin gebundenen Sauerstoff stärker Elektronen entzogen, wodurch es mit dem elektronenreichen Propylen reaktiver wird. Wir haben durch eine ganze Reihe von Experimenten gesehen, dass die Stabilisierung von Platin in einer höheren Oxidationsstufe zu erheblichen Verbesserungen führt.“ verbesserte Geschwindigkeiten und Effizienzen der Propylenepoxidierung.“

Mit dem neuen Katalysator sei die Geschwindigkeit der Propylenoxidproduktion zehnmal höher als bisher und die Effizienz um 13 Prozent gestiegen, sagt Manthiram.

Manthiram sagt, dass sich die künftige Forschung darauf konzentrieren wird, den Katalysator zu testen, um zu sehen, wie er von einem Laboraufbau in industrielle Umgebungen übertragen werden kann. Dazu sind Analysen erforderlich, die untersuchen, wie lange der Katalysator hält, bevor er sich zersetzt, und wie gut er in größeren Maßstäben funktioniert, sowie die Entwicklung eines Verfahrens zur Entfernung des Propylenepoxids aus dem System, während es hergestellt wird.

„Es ist an der Zeit, dieses Material aus diesem grundlegenden wissenschaftlichen Kontext herauszuarbeiten“, sagt er. „Das wird für uns wirklich aufschlussreich sein, weil es uns zeigt, woran wir als nächstes arbeiten sollten.“

Das Papier, das die Arbeit beschreibt: „Direkte Propylenepoxidierung durch Wasseraktivierung über Pd-Pt-Elektrokatalysatoren,“ erscheint in der Ausgabe vom 4. Januar Wissenschaft.