Vorbereitung einer erneuerbaren Route zu Gummimaterial

Eine Schlüsselzutat bei der Herstellung von Autoreifen und Turnschuhsohlen könnte nach einer neuen Analyse eines alten katalytischen Prozesses nachhaltig hergestellt werden. Butadien, ein wesentlicher Bestandteil von synthetischem Kautschuk, wird derzeit von der petrochemischen Industrie aus fossilen Reserven hergestellt.

Aber es könnte effizient in einer einstufigen Reaktion aus erneuerbarem Ethanol unter Verwendung einer modernisierten Version eines ungewöhnlichen alten Katalysators hergestellt werden. „Butadien wird derzeit als Nebenprodukt der petrochemischen Industrie hergestellt, was zu Versorgungsengpässen führen kann“, erklärt Sang-Ho Chung, ein Forscher in den Labors von Javier Ruiz-Martinez, mit dem er die Arbeit gemeinsam leitete. „Außerdem sind diese Routen eindeutig nicht nachhaltig“, fügt er hinzu.

Diese Herausforderungen bei der Butadienproduktion haben erneutes Interesse am Lebedev-Verfahren geweckt, das erstmals in den 1930er Jahren entwickelt wurde und Ethanol in einem einzigen katalytischen Reaktor in Butadien umwandelt. „Nachhaltiges Butadien könnte durch die Verwendung von Bioethanol im Lebedev-Prozess oder sogar Ethanol hergestellt werden, das mit hochmodernen CO-zu-Ethanol-Prozessen hergestellt wird“, sagt Chung.

Der Lebedev-Prozess wird durch Silica-Magnesia-Katalysatoren angetrieben, die durch ein ungewöhnliches Verfahren namens Nasskneten hergestellt werden. Das Verfahren beinhaltet das Kombinieren von festen Katalysatorvorläufern in Wasser unter kontinuierlichem Mischen.

„Nasskneten ist bei der Katalysatorherstellung eher ungewöhnlich, wird aber häufig zur Herstellung von Hochleistungs-Silicamagnesia-Katalysatoren für das Lebedev-Verfahren angewendet“, sagt Ruiz-Martinez.

Verbesserte naßgeknetete Katalysatoren wurden jedoch hauptsächlich durch Versuch und Irrtum entdeckt. Warum einige Katalysatoren andere übertreffen, ist nicht vollständig geklärt, und „zu verstehen, wie sich diese Materialien bilden, ist der erste Schritt zur Herstellung besserer Katalysatoren“, sagt Ruiz-Martinez.

Chung, Ruiz-Martinez und ihre KAUST-Kollegen verwendeten Festkörper-Kernmagnetresonanzspektroskopie, um die Bildung von Silica-Magnesia-Katalysatoren unter realen Nassknetbedingungen zu untersuchen. „Wir haben festgestellt, dass zwei verschiedene Katalysatorpartikel gebildet werden, basierend auf der Kreuzabscheidung von Siliziumspezies auf Magnesia und Magnesiumspezies auf Siliziumdioxid“, sagt Chung. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkatalyse.

Entscheidend ist, dass sie zeigten, dass Magnesiumsilikate auf den Silikapartikeln dazu neigen, Ethylen als unerwünschtes Nebenprodukt zu produzieren. „Mit diesem Verständnis könnten wir nur die Katalysatorpartikel synthetisieren, die für die Butadienproduktion aktiv sind, und die Partikel vermeiden, die Ethylen produzieren“, sagt Chung.

Das Team zeigte auch, dass die besten Katalysatoren auch bestimmte aktive Zentren in unmittelbarer Nähe hatten. „Das hat uns geholfen, an der nächsten Generation von Katalysatoren für diesen Prozess zu arbeiten“, sagt RuizMartinez. „Wir machen gute Fortschritte und haben bereits eine noch selektivere Version, die ein wichtiger Schritt zur Kommerzialisierung des Verfahrens sein könnte.“