Metallfreie Katalysatoren ersetzen Katalysatoren auf Basis von Metall
Das von der EU finanzierte Projekt FREECATS (Doped carbon nanostructures as metal-free catalysts) verfolgte das Ziel, die Produktion von chemischen Stoffen und Grundstoffen umweltfreundlicher und damit nachhaltiger zu gestalten. Zehn europäische Forschungseinrichtungen arbeiteten zusammen um Materialien auf Grundlage von Kohlenstoff zu entwickeln, welche die Metalle in der Katalyse ersetzen werden. Die Katalyse ist einer der wichtigsten Abnehmer von Edelmetallen wie etwa Palladium und Platin. Viele Prozessindustrie sind auf Katalysatoren Edelmetallbasis angewiesen, um Reaktionen zu beschleunigen und die Erträge zu verbessern. Die Metalle der Platingruppe kommen jedoch im Allgemeinen nicht in Europa vor, weshalb die Forscher nach einer ausreichend vorhandenen Option suchen. Kohlenstoffbasierte Katalysatoren könnten genau das sein, wonach die chemische Industrie verlangt. Dieser neue Typ metallfreier Katalysatoren kann aufgrund von deren höherer Selektivität weniger umweltverschmutzend sein. So wird die Gefahr der Erzeugung unerwünschter Abfallprodukte, die auch für die Umwelt schädlich sein können, deutlich eingedämmt. FREECATS konzentrierte sich auf die Entwicklung von Katalysatoren für Brennstoffzellen, die Olefinproduktion sowie die Wasseraufbereitung. Ein Ersatz der Katalysatoren auf Platinbasis bei diesen drei Technologien wird zu einer deutlichen Verringerung der hohen Nachfrage in Europa, insbesondere der Nachfrage der Fahrzeugindustrie, führen. Edelmetallkatalysatoren sind häufig im Automobilsektor anzutreffen, wo Katalysatoren auf Basis von Metallen der Platingruppe die Abgase reinigen. Das könnte eine einmalige Gelegenheit für eine Nichtmetallalternative sein, aber die Projektpartner waren nicht auf der Suche nach Anwendungen für Kohlenstoffkatalysatoren auf diesem Gebiet. Unter Einsatz von Nanotechnologie, bei der Atome als Bausteine dienen, bauten die Forscher die Kohlenstoffstrukturen entweder in der Reinform von Nanomaterialien oder als hierarchisch organisierte Strukturen auf. Die neuen Kohlenstoffmaterialien sind Nanoröhren oder Nanofasern, die mit Substanzen dotiert sind, um deren Elektronendichte zu verändern. Die am häufigsten untersuchten Kohlenstoffmaterialien wurden mit Stickstoff dotiert und wiesen eine katalytische Aktivität auf, die sich merklich von ihren undotierten Pendants unterschied. In Abhängigkeit von der Art der chemischen Reaktion, die katalysiert wird, könnten aber auch Bor und Phosphor verwendet werden. Die Forscher prüften Anwendungen bei zukünftigen Fahrzeugentwürfen. Insbesondere können die Kohlenstoffkatalysatoren in Brennstoffzellen zum Einsatz kommen, in denen Energie durch die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff erzeugt wird. Die Sauerstoffreduktion erfolgt derzeit mit Hilfe von Platinkatalysatoren, aber auch Kohlenstoffkatalysatoren könnten diese Reaktion katalysieren. Die zweite Anwendung mit massivem Potenzial für die Zukunft liegt in der Herstellung von Olefinen. Diese werden überall in der chemischen Industrie als Ausgangsstoffe der Polyolefinvorprodukte für Polyethylen und Polypropylen verwendet. Die neuen Katalysatoren sind hochselektiv und erzeugen mehr von der gewünschten Verbindung und weniger unerwünschte Nebenprodukte. Mögliche Anwendungen der neuen Katalysetechnologie sind auch im Bereich der Wasseraufbereitung vorgesehen, da hier größere Trinkwassermengen zu erzielen sind. Gegen Ende von FREECATS konnten die Forscher die Fähigkeiten von Kohlenstoffkatalysatoren auf der Stufe einer Pilotanlage unter Beweis stellen. In Bezug auf die neuen metallfreien FREECATS-Katalysatoren wollte man nicht nur mit den existierenden Edelmetallkatalysatoren konkurrieren, die weithin als das Rückgrat vieler Industriezweige betrachtet werden. Eine Reihe von Follow-up-Forschungsaktivitäten hat weiterhin die Verbesserung von deren Leistungsfähigkeit zum Mittelpunkt.
Schlüsselbegriffe
metallfreie Katalysatoren, Nanotechnologie, FREECATS, Kohlenstoffnanostrukturen, Katalyse
