Gut und günstig: Eisen ersetzt Palladium

Edelmetalle sind teuer und gefragt, nicht nur als Schmuck oder Geldanlage, sondern auch in der Industrie. Dort fungieren die wertvollen Metalle unter anderem als Katalysatoren chemischer Reaktionen. Palladium etwa vermittelt einen entscheidenden Schritt bei der Produktion von Polyethylen, dem Material, aus dem unter anderem Plastiktüten gefertigt werden.

Auf der Suche nach günstigeren Alternativen haben Wissenschaftler aus Jülich, Dresden, Berlin, München und Budapest nun einen Katalysator aus Eisen und Aluminium entwickelt, der genauso gut wie sein Vorbild aus Palladium arbeitet, aber wesentlich billiger ist. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature Materials“ nachzulesen (DOI: 10.1038/NMAT3347).

Aus Polyethylen werden unter anderem leichte, flexible und stabile Plastiktüten gefertigt. Damit diese nicht schon bei geringer Belastung reißen, darf das Ausgangsmaterial Ethen (Ethylen) nicht mit Ethin (Acetylen) verunreinigt sein. Beides wird aus Erdöl erzeugt und lässt sich schwer voneinander trennen. Deshalb wird Ethin für die Kunststoffproduktion mit Hilfe von Palladium zu Ethen verarbeitet. Der teure Katalysator kann zukünftig möglicherweise durch eine Verbindung aus Eisen und Aluminium ersetzt werden. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden, des Fritz-Haber-Instituts in Berlin, der LMU München sowie des Budapester Zentrums für Energieforschung schlagen das Material als Ersatz vor, da es Ethin genauso effizient zu Ethen hydriert wie edelmetallhaltige Katalysatoren.

Zum Erfolg führte ein systematisches Vorgehen: Die Forscher nutzten dabei das Wissen, wie die Reaktion am Platin genau stattfindet, folgerten daraus die notwendigen Eigenschaften des Katalysators und suchten nach einem passenden Material. So war bekannt, dass Palladium nur dann das gewünschte Produkt liefert, wenn es möglichst kleine aktive Zentren aufweist, etwa in Form von einzelnen Palladiumatomen in einer inaktiven Matrix. Andernfalls bleibt die Reaktion der Ethin-Moleküle nicht bei der Semihydrierung stehen. Das heißt, sie nehmen nicht nur zwei, sondern vier Wasserstoffatome auf und werden zu Ethan, das für die Kettenreaktion zum Polyethylen völlig unbrauchbar ist. So entstand die Idee, die aktiven Zentren, zunächst einzelne Palladiumatome, in einem Kristallgitter aus Gallium zu fixieren.

In einem weiteren Schritt mussten alternative Materialien gefunden werden. Als geeignet erwiesen sich Eisen und Aluminium in Form einer so genannten komplexen intermetallischen Verbindung. Anders als in Legierungen mischen sich darin die beteiligten Metalle nicht mehr oder weniger wahllos, sondern bilden geordnete Kristallstrukturen. So ist es möglich, die einzelnen katalytischen Zentren aus Eisenatomen mit Hilfe des Aluminiums klar voneinander zu trennen. Hergestellt wurden die getesteten Materialien am Jülicher Peter Grünberg Institut und an der LMU München.

Die Eisen-Aluminium-Verbindung katalysiert genauso zuverlässig wie Palladium-Gallium. Ehe die Industrie mit dem neuen Katalysator die Kosten der Polyethylen-Produktion senken kann, muss sich das Material noch in der großtechnischen Anwendung bewähren. Dann könnte der Katalysator auch bei der Produktion anderer Kunststoffe seine Qualität als selektiver Wasserstoffvermittler ausspielen.

„Wichtig ist, dass wir noch besser verstehen, welche physikalischen Prozesse bei der Katalyse ablaufen“, erläutert Dr. Michael Feuerbacher vom Peter Grünberg Institut. „Das hilft uns einerseits bei der weiteren Optimierung des Eisen-Aluminium-Katalysators, andererseits bei der Suche nach anderen katalytischen Materialien.“

Denn die Forscher wollen weiter systematisch nach Katalysatoren für andere Reaktionen suchen, verstärkt im Bereich der alternativen Energieversorgung: Dafür untersuchen sie weitere komplexe intermetallische Verbindungen, zum Beispiel im Hinblick auf ihre Eignung für die Umwandlung von Methan in Wasserstoff, wie er etwa zum Antrieb von Wasserstoff-Autos benötigt wird.

Eine Alternative zum Edelmetall: Czochralski-Einkristall einer Eisen-Aluminium-Verbindung. Solche Kristalle verwendeten die Forscher, um einen wichtigen Syntheseschritt bei der Produktion des Kunststoffs Polyethylen zu katalysieren. Bisher nutzt die Industrie dafür ein palladiumhaltiges Material.

Quelle: Forschungszentrum Jülich

Originalveröffentlichung:

Al13Fe4as a low-cost alternative forpalladium in heterogeneoushydrogenation;
M. Armbrüster et al.; Nature Materials (2012); DOI: 10.1038/NMAT3347

Ansprechpartner:
Dr. Michael Feuerbacher, Forschungszentrum Jülich,
Institut Mikrostrukturforschung (PGI-5),
Tel. 02461 61-2409,
E-Mail: m.feuerbacher@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin,
Forschungszentrum Jülich,
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E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de