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Die Industrie der EU verbraucht jährlich rund 70 Milliarden Kubikmeter Erdgas. Etwa 15 % davon dienen als chemischer Rohstoff zur Herstellung aller denkbaren Dinge von Düngemitteln bis hin zu Aromastoffen mithilfe eines Verfahrens, das als heterogene Katalyse bekannt ist.
„Die Menschen neigen dazu, darüber nicht nachzudenken, aber wir sind tatsächlich in hohem Maße von dieser Technologie abhängig“, stellt CATACOAT-Projektkoordinator Jeremy Scott Luterbacher von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne fest.
„Es gibt kein einziges Benzin- oder Kunststoffmolekül, das nicht an irgendeinem Punkt mit einem heterogenen Katalysator (üblicherweise einem Metalloxid) in Wechselwirkung getreten wäre. Würden wir die heterogene Katalyse stoppen, dann würde die Gesellschaft sehr schnell aufhören zu funktionieren.“
Katalysatoren beim Einsatz erneuerbarer Rohstoffe schützen
Während fossile Brennstoffe zwar das Ausgangsmaterial für viele Industriechemikalien bilden, sind konzertierte Bemühungen im Gange, auf erneuerbare Kohlenstoffquellen wie etwa Pflanzen umzusteigen. Unerwünschte Reaktionen zwischen den heterogenen Katalysatoren und diesen Ersatzrohstoffen können jedoch deren Einsatz erschweren. Heterogene Katalysatoren sind meist gegenüber Wasser empfindlich, das häufig in pflanzlichen Rohstoffen vorkommt, und enthalten Metalle, die während des Prozessverlaufs in dieses Wasser ausgewaschen werden.
Das Ziel des vom Europäischen Forschungsrat unterstützten Projekts CATACOAT lautete daher, diese Herausforderung dadurch zu meistern, dass katalytische Moleküle mit einer Schutzschicht überzogen werden, um sie in sauerstoffreichen, wässrigen Verbindungen nutzen zu können. „Die Grundidee war relativ einfach“, sagt Luterbacher. „Wir verfolgten das Ziel, den konventionellen katalytischen Materialien, die ziemlich empfindlich auf die mit erneuerbaren Rohstoffen verbundenen Bedingungen reagieren, mehr Widerstandsfähigkeit zu verleihen.“
Eine zentrale Herausforderung bestand darin, dass diese katalytischen Moleküle zwar vor dem Rohstoff geschützt werden, aber dennoch in engem Kontakt mit diesem stehen mussten, um überhaupt zu funktionieren. Dies bedeutete, dass die Schutzschicht porös und unvorstellbar dünn sein musste und dass eine Schicht von fünf bis fünfzig Atomlagen Dicke gebraucht wurde. Zu diesem Zweck entwickelte und erprobte das Team neue Verfahren zur Abscheidung dünner Metalloxidschichten.
„Wir konnten nachweisen, dass wir diese Katalysatoren mit einer Panzerung versehen können, und dass diese dann bei der Verarbeitung von erneuerbarem Kohlenstoff aus Pflanzen als Ausgangsstoff eingesetzt werden können“, fügt Luterbacher hinzu. „Konventionelle Katalysatoren wären unter diesen Bedingungen normalerweise zerstört worden.“
Katalysatoren auf Atomebene steuern
Während dieses Hauptziel erreicht wurde, verzeichnete das Projektteam außerdem einige unerwartete Entdeckungen. „Wir haben uns hauptsächlich darauf konzentriert, den Aufbau der Beschichtung zu steuern“, sagt Luterbacher. „Dabei haben wir einen sehr interessanten Ansatz entwickelt.“
Während das Team Atom für Atom eine Schutzschicht aufbaute, entdeckte es, dass es diese Schichten von einem einzigen „Anker“ auf der Oberfläche des Zielmoleküls aus wachsen lassen konnte, sodass eine Art Atomcluster oder -insel entstand. Diese Arbeit steht zwar noch am Beginn, aber das Verfahren könnte den wissenschaftlichen Teams eine bessere Steuerung der Moleküle auf atomarer Ebene ermöglichen, sodass bessere und wirksamere Katalysatoren entwickeln werden können.
„Wir denken, dass es sich hierbei um ein verallgemeinerungsfähiges Werkzeug mit vielen industriellen Anwendungen handeln könnte“, bemerkt Luterbacher. „Einige dieser Anwendungen könnten funktionieren, andere nicht. Das können wir jetzt noch nicht genau sagen, aber es ist eine spannende Entwicklung.“
Parfüm, Kunststoffe und weitere mögliche Einsatzzwecke
Das Projekt CATACOAT ist in ein kommerzielles Unternehmen eingeflossen, das zuvor von Luterbachers Labor gegründet wurde, um seine Spitzenforschung auf den Markt zu bringen. „Bei diesem Spin-off-Unternehmen geht es darum, Wege zur Herstellung erneuerbarer Chemikalien aus Pflanzen zu finden sowie auf fossilen Brennstoffen basierende Chemikalien zu ersetzen“, erklärt er. „Zu den möglichen Endanwendungen zählen Aroma- und Duftstoffe sowie Biomaterialien und Biokunststoffe.“
Luterbacher vertritt außerdem die Meinung, dass sein Labor dank des Projekts sowohl in der heterogenen Katalyse als auch in der Pflanzenchemie Fachwissen aufbauen und kombinieren konnte. Langfristig wird hiermit der Industrie Hilfestellung dabei geleistet, Wege zur Umstellung auf erneuerbare Chemikalien zu finden. „Deshalb ist Grundlagenforschung wie diese dermaßen wichtig“, fügt er hinzu. „Wir müssen in Ideen investieren, deren Ergebnisse nicht unbedingt sofort nutzbar sind, die aber später entscheidend wichtig sein könnten.“