Neuer Katalysator für die nachhaltige Kunststoffproduktion

Das Team um Dr. Stefan Barwe und Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie kooperierte für die Studie mit dem RUB-Lehrstuhl für Technische Chemie unter Leitung von Prof. Dr. Martin Muhler. Die Forscher beschreiben die Arbeiten in der Zeitschrift Angewandte Chemie vom 9. Juli 2018.

„Wir könnten einen großen Schritt in Richtung einer nachhaltigen chemischen Industrie machen, wenn wir nicht Erdöl als Ausgangsstoff nutzen würden, sondern Biomasse, die nicht als Nahrungsmittel genutzt wird“, sagt Wolfgang Schuhmann.

Eine Alternative zu PET

Die Bochumer Forscher stellen in ihrer Studie einen Nickelboridkatalysator vor, der – da er keine Edelmetalle enthält – im Vergleich zu vielen anderen Katalysatoren gut verfügbar und kostengünstig ist. Er kann das Bioraffinerieprodukt HMF (5-Hydroxymethyl-furfural) in FDCA (2,5-Furandicarbonsäure) umsetzen. „FDCA ist für die Industrie interessant, weil es zu Polyestern verarbeitet werden kann“, erklärt Stefan Barwe. „So kann PEF, eine Alternative zu PET, hergestellt werden – und das alles basierend auf nachwachsenden Rohstoffen, nämlich Pflanzen.“

Weniger Energieverbrauch dank Wasserstoffproduktion

In den Versuchen des Bochumer Teams setzte der Katalysator in einer halben Stunde 98,5 Prozent des Ausgangsstoffs HMF in FDCA um; Abfallprodukte entstanden keine. „Wir haben den Katalysator außerdem so designt, dass er unter den gleichen Bedingungen effektiv ist, unter denen auch die Wasserstofferzeugung gelingt“, beschreibt Stefan Barwe einen weiteren Vorteil der Entwicklung.

So konnten die Forscher gleichzeitig mit dem Ausgangsstoff für die Kunststoffproduktion den potenziellen Energieträger Wasserstoff synthetisieren. Üblicherweise wird Wasserstoff durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen, wobei auch Sauerstoff entsteht. Der besonders energiezehrenden Reaktionsschritt, die Sauerstoffentwicklung, entfiel, indem die Forscher die Wasserstoff- und FDCA-Produktion koppelten.

Reaktionsmechanismus aufgeklärt

Mit elektrochemischen Methoden und Infrarot-Spektroskopie klärte das Team außerdem die Reaktion Schritt für Schritt auf. Die Chemiker konnten erstmals in Echtzeit verfolgen, über welche Zwischenprodukte HMF in FDCA umgesetzt wird.

Förderung

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die Arbeiten im Rahmen des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation (EXC 1069) und des Sonderforschungsbereich/Transregio 247. Dulce Morales, eine der Autorinnen, erhielt finanzielle Unterstützung vom Deutschen Akademischen Austauschdienst und von Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.

Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann
Analytische Chemie
Zentrum für Elektrochemie
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 26200
E-Mail: wolfgang.schuhmann@rub.de

Stefan Barwe, Jonas Weidner, Steffen Cychy, Dulce M. Morales, Stefan Dieckhöfer, Dennis Hiltrop, Justus Masa, Martin Muhler, Wolfgang Schuhmann: Electrocatalytic 5-(hydroxymethyl)furfural oxidation using high surface area nickel boride, in: Angewandte Chemie International Edition, 2018, DOI: 10.1002/anie.201806298