Neuartige Goldkatalysatoren für die katalytischen Oxidation von Methanol
Wissenschaftler der Universität Bremen publizieren Forschungsergebnisse in Science.
Die zunehmende weltweite Verknappung von Rohstoffen und Energie stellt große Herausforderungen dar. "Grüne Chemie" wird deshalb seit Jahren in Industrie und Forschung immer wichtiger. Neue umweltverträgliche und Ressourcen schonende, also "grüne" Verfahren müssen entwickelt werden. Eine besondere Aufgabe kommt hierbei der Katalyse zu. Obwohl erste Konzepte dazu aus dem 19. Jahrhundert stammen, ist die Katalyse kein "alter Hut".
Vielmehr stellt sie eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts dar. Das Ziel der Katalyse ist die gezielte Steuerung einer chemischen Umsetzung bei geringem Einsatz von Ressourcen und Energie.
Wissenschaftlern der Universität Bremen gelang in Zusammenarbeit mit amerikanischen Forscher der Harvard University und dem Lawrence Livermore Laboratory ein entscheidender Durchbruch bei der katalytischen Oxidation von Methanol. Es konnte, durch nanoporöses Gold katalysiert, bereits bei Temperaturen von 20 °C mit nahezu 100 %iger Selektivität - also ohne unerwünschte Nebenprodukte - zum Methylformiat oxidiert werden.
Rasterelektonenmikroskopische (REM) Aufnahme von monolithischem nanoporösem Gold. Die poröse Struktur des Materials ist im Bereich weniger zehn Nanometer und erstreckt sich homogen von der äußeren Oberfläche bis in das innere Volumen. Reaktanden durchströmen das Porenvolumen und erreichen somit die innere Oberfläche des Materials. Oben rechts: Schematische Darstellung der von den Reaktanden durchströmten Porenstruktur des nanoporösen Goldes.
[Bildquelle: Uni Bremen - Marcus Bäumer]
Die Ergebnisse dieser interdisziplinären Forschungsarbeit wurden im Fachmagazin Science am 15. Januar 2010 veröffentlicht.
Am Institut für Angewandte und Physikalische Chemie der Universität Bremen wird im Bereich der heterogenen Katalyse mit modernen Gold-Katalysatoren geforscht. Die Chemiker Professor Marcus Bäumer und der Wissenschaftliche Mitarbeiter Arne Wittstock beschreiten dabei einen neuen Weg. Anstatt der für die Katalyse mit Gold bislang als unerlässlich angesehenen Nutzung in Form von Nanopartikeln werden Gold-Schwämme erforscht. Durch sein Herstellungsverfahren ist dieses zu über 99 % aus reinem Gold bestehende Material zu über 70 Prozent porös und besitzt eine selbsttragende schwammartige Struktur mit Poren im Bereich einiger 10 nm (1 nm = 10-9 m). In Bremen wird dieses nanoporöse Gold in vielfältiger Weise auf sein katalytisches Potenzial hin untersucht. An der Publikation beteiligte Projektpartner sind Wissenschaftler am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien (USA), die ihre Expertise im Bereich der Herstellung dieser neuartigen Nano-Materialien einbringen, und an der Harvard University (USA), mit denen mechanistische Fragen zu den an der Oberfläche des Goldes ablaufenden Reaktionen geklärt werden.
In diesem Forschungsprojekt gelang es nun, Methanol, das in der Industrie als ein zentraler Ausgangsstoff für eine große Vielzahl von Chemikalien dient, mit Hilfe des neuartigen Goldkatalysators bei geringem Energieeinsatz und ohne die Umwelt belastende Nebenprodukte zum Methylformiat zu oxidieren. Dieses Produkt dient hauptsächlich als Vorstufe zur Produktion von Ameisensäure (> 300 000 t/Jahr), darüber hinaus ergeben sich jedoch eine Reihe weiterer Anwendungen. Beispielsweise wird Methylformiat zunehmend als gut umweltverträgliches Treibmittel oder Lösungsmittel in Lacken eingesetzt. Als Oxidationsmittel diente einfacher Luftsauerstoff. Auf den Einsatz von umweltschädlichen Co-Katalysatoren wie Basen konnte komplett verzichtet werden. Die Ergebnisse dieser interdisziplinären Forschungsarbeit wurden im Fachmagazin Science (15. Januar) veröffentlicht. Der Einsatz von Gold wird somit zu einem wichtigen Schritt in Richtung auf eine "grünere" Chemie.
Quellen und Artikel:
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A. Wittstock, V. Zielasek, J. Biener, C. M. Friend, and M. Bäumer: Nanoporous Gold Catalysts for Selective Gas-Phase Oxidative Coupling of Methanol at Low Temperature. In: Science; Vol. 327. no. 5963, pp. 319 - 322, 15. Januar 2010 DOI: 10.1126/science.1183591 URL: direct link
