Katalysatoren, fein verteilt statt klumpig

„Manche von uns denken, Festhalten macht stark; aber manchmal ist es das Loslassen, was uns stark macht.“ Dieses Zitat von Hermann Hesse gilt auch für chemische Akteure in einer Reaktion, zum Beispiel Liganden. Wie Krabben mit ihren Krallen können sie den Katalysator festhalten - oder ihn loslassen. Die Zeichnung gehört zu Dr. Constanze Neumanns Arbeit und ziert das Cover der Zeitschrift Angewandten Chemie International.
(c) Dr. Constanze Neumann/MPI KOFO

Neumann-Gruppe entwickelt neuen Metallphosphid-Katalysator.

Der Arbeitskreis von Lise-Meitner-Gruppenleiterin Dr. Constanze Neumann hat eine neue Art Katalysator entwickelt, der für die chemische Industrie interessant sein könnte. Ihre Erkenntnisse haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Zeitschrift „Angewandte Chemie International“ veröffentlicht.

Übergangsmetallphosphide werden schon seit längerer Zeit als möglicher Ersatz für Edelmetallkatalysatoren gehandelt. Sie sind billiger und in ausreichenden Mengen verfügbar.  „Aber es gab bislang immer wieder Herausforderungen bei der Oberflächenoxidation und Synthese“, erklärt Dr. Constanze Neumann, Lise-Meitner-Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim. Die Herstellung dieser Katalysatoren erforderte zum Beispiel sehr hohe Temperaturen oder sehr reaktive Ausgangsstoffe, die teuer oder hochgiftig sein können – oder beides.

Gemeinsam mit ihrem Team hat die junge Chemikerin nun eine elegante Methode gefunden, um in einem einzigen Schritt einen luftstabilen, nickelhaltigen Katalysator zu synthetisieren, für dessen Herstellung sichere und preiswerte Materialien verwendet werden. Die Arbeitsgruppe hat ihre Ergebnisse als „Very important Paper“ in der Zeitschrift Angewandte Chemie International veröffentlicht.

„In unserem Paper zeigen wir, dass es möglich ist, eine breitflächige Verteilung des Katalysators zu erreichen“, sagt Dr. Leila Karam, Postdoc in der Gruppe von Constanze Neumann und Erstautorin des Papers. Mit Hilfe des richtigen Oberflächenliganden können die Wissenschaftler ihren Katalysator auf eine möglichst breit verteilte Trägeroberfläche aufbringen – und zwar so, dass er für die gewünschte Reaktion zur Verfügung steht, ohne vorher zu verklumpen oder zu oxidieren. Die Liganden sind in der Lage, den Katalysator vor unerwünschter Oxidation zu schützen, hindern ihn aber nicht daran, die gewünschte Reaktion in Gang zu setzen. Die feine Verteilung sorgt dafür, dass der Katalysator in ebenso kleinen Mengen eingesetzt werden kann wie herkömmliche palladiumhaltige Alternativen.

Die Arbeitsgruppe von Dr. Constanze Neumann konnte nachweisen, dass ihr Katalysator (dritte Zeile) deutlich feiner auf dem Trägermaterial verteilt ist als die Katalysatoren, die in mehreren Syntheseschritten hergestellt wurden (erste und zweite Zeile). 

Die Arbeitsgruppe von Dr. Constanze Neumann konnte nachweisen, dass ihr Katalysator (dritte Zeile) deutlich feiner auf dem Trägermaterial verteilt ist als die Katalysatoren, die in mehreren Syntheseschritten hergestellt wurden (erste und zweite Zeile).  (c) MPI KOFO

 

„Wir freuen uns sehr, dass unser Katalysator mit den kommerziellen Palladiumkatalysatoren mithalten kann“, sagt Constanze Neumann. Das könnte für Chemieunternehmen interessant sein, bei denen heterogene Palladiumkatalysatoren für die selektive Hydrierung, unter anderem bei der Synthese von Arzneimitteln, weit verbreitet sind.

Und es gibt noch einen weiteren Clou: „Wir konnten nachweisen, dass unser Katalysator auch dann noch gut funktioniert, wenn er mehr als ein Jahr an der Luft gelagert wurde. Das Material wird nicht durch Oxidation unbrauchbar gemacht“, sagt Neumann. Das erleichtert sowohl die Lagerung als auch die Handhabung des Katalysators: Während man mit anderen Phosphiden oft in der Glovebox arbeiten muss, kann der Mülheimer Katalysator in einem normalen Abzug gehandhabt werden.

Bei aller Freude über die Erkenntnisse will die Gruppe sich aber nicht auf ihren Ergebnissen ausruhen: „Wir wollen die Wiederverwendbarkeit unseres Katalysators verbessern“, sagt Neumann. Außerdem möchten die Forscherinnen und Forscher auf die Lösungsmittel verzichten, die zur Herstellung ihres Katalysators benötigt werden. „Wir möchten die Produktion so grün wie möglich halten!“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Constanze Neumann, PhD
Lise Meitner Group Leader
Max Planck Institut für Kohlenforschung
Kaiser-Wilhelm-Platz 1
45470 Mülheim, Germany

Originalpublikation:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202404292

https://www.kofo.mpg.de/987266/2024-07-10-nickelcat

Media Contact

Sarah-Lena Gombert Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung

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