Shell She Study Award an RUB-Chemikerin: Marie Schröter erforscht Nano-Katalysatoren

Für ihre Dissertation zur Entwicklung von hochleistungsfähigen Nano-Katalysatoren für die Herstellung von Methanol wurde Dr. Marie Schröter mit dem diesjährigen 11. Shell She Study Award ausgezeichnet. Die 28-jährige Chemikerin, die ihre Doktorarbeit am Lehrstuhl für Anorganische Chemie (Prof. Dr. Roland A. Fischer) angefertigt hat, arbeitet jetzt am Lehrstuhl für Technische Chemie der Ruhr-Universität (Prof. Dr. Martin Muhler).

Ihre Entwicklung erlaubt die effizientere Herstellung von Methanol, einem der wichtigsten Ausgangsstoffe für Synthesen in der chemischen Industrie und sauberer Kraftstoff der Zukunft. Der Preis ist mit 5000 Euro dotiert und wird seit 1997 jährlich an herausragende junge Forscherinnen verliehen.

Katalysatoren: Unverzichtbare Helfer

Ohne Katalysatoren wären die meisten industriellen chemischen Prozesse undenkbar. Sie sorgen in einer Reaktion dafür, dass bestehende Bindungen der Ausgangssubstanzen gebrochen und neue geknüpft werden, so dass die gewünschten Produkte entstehen. In der heterogenen Katalyse geschieht das an der Katalysatoroberfläche durch die Adsorption der Ausgangsstoffe, Reaktion und Desorption der Produkte. Ein guter Katalysator sorgt dafür, dass die benötigte Energie zum Brechen der Bindungen möglichst gering ist und dass die Knüpfung der neuen Bindungen möglichst selektiv verläuft, so dass nur die gewünschten Produkte entstehen. Somit ist der Katalysator die wirtschaftliche und ökologische Stellschraube eines chemischen Prozesses.

Nano-Katalysatoren wirken effizient

Das Verhältnis eines Nanaopartikels (ein Nanometer = ein Millionstel Millimeter) zu einem Fußball entspricht in etwa dem eines Stecknadelkopfes zum Erdball. „Der Trick ist, dass die Oberfläche von Partikeln mit abnehmendem Teilchendurchmesser wächst“, erklärt Marie Schröter. „Bei 1 nm großen Partikeln sind 99% der Atome Oberflächenatome, die sich, da heterogene Katalyse eine Oberflächenreaktion ist, dann alle an der Reaktion beteiligen können.“ Je mehr Oberfläche desto mehr aktive Zentren, desto effizienter die Katalyse. Je kleiner die Teilchen, desto größer die Wirkung. Die von Marie Schröter entwickelten alternativen Nano-Katalysatoren sind zum einen in der flüssigen Phase (teilweise weitaus) aktiver als herkömmliche Industriekatalysatoren, so dass mit ihnen in der flüssigen Phase mehr Methanol pro Stunde produziert werden kann. Zum anderen dienen sie der Grundlagenforschung als Modellsystem. Mit ihrer Hilfe können Fragen zum Mechanismus der Reaktion geklärt werden, was wiederum zum besseren Verständnis des Prozesses und somit indirekt zu dessen Optimierung beitragen kann. „Das ist wichtig, denn Katalyse ist ein wenig wie Magie“, erklärt Marie Schröter, „es funktioniert oft ohne dass genau bekannt ist wie und warum eigentlich.“

Flüssig schlägt gasförmig

Den Prozess in der flüssigen Phase durchzuführen – üblicherweise wird die Gasphase genutzt – ist ein innovatives Verfahren, das es zum einen ermöglicht, den Katalysator leicht auszutauschen. Hauptvorteil ist aber, dass die Wärme sich viel gleichmäßiger im System verteilt, so dass der Katalysator nicht lokal überhitzen und deaktivieren kann. Die Abwärme der Reaktion kann aufgefangen und anderen Prozessen zugeführt werden, etwa der Erzeugung von Heißdampf, der zum Beispiel via Dampfturbine Strom erzeugen kann. Dazu gibt es ein Pilotprojekt in den USA.

Hintergrund Methanol

Methanol wird als ein Energieträger der Zukunft gesehen, denn es ist ohne den Einsatz fossiler Brennstoffe herstellbar und bindet CO2. Es ist eine der Top 10-Chemikalien weltweit, von der über 40 Mio. Tonnen pro Jahr produziert werden. Es dient zur Herstellung weiterer Chemikalien, kommt im Recycling von Kunststoffen zur Anwendung und wird vor allem als Kraftstoff eingesetzt, der sauberer verbrennt als Benzin. Außerdem wird es auch direkt oder weiterverarbeitet hochoktanigen Kraftstoffen zugesetzt und ist Bestandteil der Biodieselherstellung. In Brennstoffzellen kann es entweder direkt oder nach Umwandlung zu Wasserstoff umgesetzt werden. Als Flüssigkeit ist Methanol leicht zu handhaben, tanken könnte man es z.B. einfach an bestehenden Tankstellen.

Weitere Informationen

Dr. Marie Schröter, Lehrstuhl für Technische Chemie der Ruhr-Universität Bochum, Tel. 0234/32-26475, E-Mail: marie.schroeter@techem.rub.de