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Posts Tagged ‘Katalyse’

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tiger-mosquito-49141_640Chinolin und seine Derivate bilden das Grundgerüst für viele biologisch aktive Verbindungen. Vom Chinin abgeleitete Medikamente gegen Malaria besitzen beispielsweise ein Chinolin-Grundgerüst. Ein Großteil des Chinolins wird aus Steinkohleteer gewonnen; es ist darin zu etwa 0,5 % enthalten. Weltweit werden so über 2000 Tonnen pro Jahr produziert. Durch Kondensation von Anilinen mit Carbonylverbindungen können Chinoline auch chemisch synthetisiert werden. Vor allem komplexe Chinolinderivate wie Antioxidantien für Gummimischungen werden auf diesem Weg hergestellt. Das gewünschte Produkt lässt sich jedoch nur in mehreren Schritten herstellen. Dabei entstehen unerwünschte Nebenprodukte, die abgetrennt und entsorgt werden müssen. Das verursacht Kosten und reduziert die Ausbeute.

Die heterogene Photokatalyse ist eine elegante und saubere Alternative. In einer Ein-Topf-Synthese kann das Chinolin damit direkt aus einem Nitroaromaten und einem Alkohol hergestellt werden. Wissenschaftler wollen in diesem Projekt der industriellen Gemeinschaftsforschung ein effizientes Reaktor- und Katalysatorsystem für photokatalytische Reaktionen entwickeln. Als Photokatalysator wird Titandioxid verwendet. Es ist kostengünstig und ungiftig. Durch UVA-Licht angeregt oxidiert es den Alkohol zum Aldehyd. Gleichzeitig wird der Nitroaromat zu Anilin reduziert. Beide Verbindungen kondensieren dann in saurem Milieu zu Chinolin. Photokatalysator und Säure können auf einem gemeinsamen Träger fixiert werden, so dass sie am Ende der Reaktion leicht abgetrennt und wiederverwertet werden können. Um auch sichtbares Licht für die Reaktionen nutzen zu können, entwickelt man zusätzlich neue Katalysatoren auf Basis von Magnesiumferrit. Die einzelnen Teilreaktionen werden kinetisch untersucht, um eine optimale Ausbeute und Selektivität zu erreichen, damit eine große Bandbreite an Produkten synthetisiert werden kann. Die Forscher wollen einen Photoreaktor entwickeln, der kontinuierlich betrieben und für viele Synthesevarianten nutzbar ist.

Mehr zum IGF-Projekt 18904: Photokatalytische Chinolin-Produktion aus Nitroaromaten

Übrigens: Malaria kann man auch mit Artemisinin behandeln. Mehr zu dessen Geschichte und zu Naturstoffen als Grundlage für Arzneimittel erfahren Sie in der App „Vorbild Natur“, die Sie kostenlos herunterladen können. Mehr zu „Vorbild Natur“

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Er mag Schwefel, Katalysatoren nicht... (Gemälde von Hans Memling, 15. Jhd.)

Er mag Schwefel, Katalysatoren nicht… (Gemälde von Hans Memling, 15. Jhd.)

Wasserstoff wird in vielen industriellen Verfahren benötigt: In der chemischen Industrie, bei der Stahl- oder Glasherstellung oder in der Elektro- und in der Lebensmittelindustrie.

Doch nicht nur Fabriken brauchen Wasserstoff, auch als möglicher Kraftstoff für die Familienkutsche von morgen könnte er wichtig werden: In Brennstoffzellen kann er sicher und schadstofffrei verstromt werden und so das E-Mobil von A nach B befördern.

Wo kommt der Wasserstoff her? Die meisten erinnern sich aus dem Schulunterricht sicher noch an die Elektrolyse von Wasser, bei der mit Hilfe von Strom das Wasser (H2O) in Wasser- (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt wird. NB: Das war der Schulversuch, bei dem anschließend gerne die Knallgasreaktion gezeigt wurde. Sie ist einer der Gründe – neben der Effizienz des Verfahrens -, warum man für die großtechnische Wasserstoffproduktion bislang lieber auf andere Methoden setzt.

Großtechnische Wasserstoffherstellung durch Dampfreformierung

Eine der wichtigsten ist die sogenannte Dampfreformierung von Methan. Methan (CH4) – aus Erdgas oder Biogas – wird dabei bei hohen Temperaturen und hohem Druck mit Wasser umgesetzt. Als Endprodukte entstehen Wasserstoff und Kohlendioxid.

Für diese Reaktion wird ein Katalysator benötigt. Leider enthält Erdgas und besonders Biogas aber nicht nur Methan, sondern unter anderem auch Schwefelverbindungen. Katalysatoren vertragen Schwefel aber häufig überhaupt nicht. Deshalb muss bisher bei der Dampfreformierung eine Entschwefelungsstufe vorgeschaltet werden. Es gibt dafür verschiedene Möglichkeiten; allerdings besteht bisher die Qual der Wahl zwischen Verfahren, die viel Schwefel entfernen und auch am Stück betrieben werden können, aber sehr kompliziert (und damit teuer) sind und welchen, die einfacher sind, aber nur wenig Schwefel entfernen und häufig gewartet werden müssen.

Eine Möglichkeit, Schwefel aus Erdgas zu entfernen, ist die Hydrodesulfurierung. Dabei werden die Schwefelverbindungen vor der eigentlichen Dampfreformierung mit Wasserstoff an einem besonderen Katalysator zu Schwefelwasserstoff umgesetzt, der sich leicht entfernen lässt. Dafür braucht man aber eine gesonderte Anlage und muss Wasserstoff von außen zuführen, um das Verfahren überhaupt zu starten.

Neues Hydrodesulfurierungsverfahren als Ausweg

Forscher vom MPI für Kohlenforschung und vom Zentrum für Brennstoffzellentechnik wollen dieses Dilemma nun lösen. Sie arbeiten an der Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Hydrodesulfurierung, das direkt in der eigentlichen Dampfreformierungsstufe ablaufen kann. Dazu entwickeln sie neue Katalysatoren auf der Grundlage von Zeolithen. Diese Katalysatoren sollen in der Lage sein, aus höheren Kohlenwasserstoffen wie Ethan oder Propan, die ebenfalls in Spuren im Erdgas vorliegen, Wasserstoff freizusetzen und diesen dann direkt mit Schwefelverbindungen reagieren zu lassen, so dass Schwefelwasserstoff entsteht. Zinkoxid-Nanopartikel sollen diesen Schwefelwasserstoff dann adsorbieren und so aus dem Gasstrom entfernen.

Möglich wird diese Forschung unter anderem dadurch, dass man heute sehr viel besser versteht, wie Katalysatoren funktionieren. So wollen die Wissenschaftler auch untersuchen, welche Parameter dafür ausschlaggebend sind, dass die Zeolithe in der gewünschten Weise arbeiten, und die Zeolithe gezielt darauf optimieren.

Gelingt das Vorhaben, so wäre es nicht nur für großtechnische Anlagen interessant, wo es eine zusätzliche Verfahrensstufe und damit eine Menge Kosten einspart. Auch für dezentrale Brennstoffzellen, für die die Hydrodesulfurierung wegen des Aufwands bislang nicht in Frage kommt, könnte damit eine neue Möglichkeit zur Entschwefelung der Brenngase erschlossen werden.

Mehr zum IGF-Projekt Nr. 18296 N – Entwicklung eines Hydrodesulfurierungsverfahrens mit autarker Wasserstoffversorgung für Brenngase

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Minolta DSCvon Dr. Hans Kral

Die Katalyse hat eine zentrale Bedeutung in der Chemischen Industrie und deshalb auch einen hohen wirtschaftlichen Stellenwert. Dies hat eine Datenflut – Literatur, Patentliteratur, Studien, Kongresse, u. v. m. – zur Folge, was die Orientierung erschwert. Eine Übersicht über die aktuellen Neuigkeiten und Publikationen findet man auf den Seiten der Deutschen Gesellschaft für Katalyse (GeCatS).

Im Jahr 1990 diskutierten vier Katalytiker – zwei aus der Industrie (Dr. Karl Kochloeffl, Süd-Chemie AG, München und Dr. Matthias Schwarzmann, BASF AG, Ludwigshafen) und zwei Hochschulvertreter (Prof. Dr. Manfred Baerns, Ruhr-Universität Bochum und Prof. Dr. Jochen Block, Fritz-Haber Institut der Max Planck-Gesellschaft, Berlin) über den Stand der Technik und die Entwicklung des Fachgebietes (Chemische Industrie“, 1990, 10, Oktober, 43 – 46; hier in vollständiger Länge: Katalyse und Alchemie).

Die damals von Dr. Kral gestellten Fragen haben auch nach 23 Jahren noch Bestand, sie wurden nun erneut von kompetenten Partnern, die paritätisch die industrielle und die nichtindustrielle Forschung repräsentieren, diskutiert und ergeben ein Meinungsbild über Fortschritt, Trends und ungelöste Probleme sowie über die Streitfrage nach dem Realitätsbezug der Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Katalyse.

Sie können wie ein Wegweiser in einer unübersichtlichen Landschaft auf die gelösten und anstehenden Probleme hinweisen und außerdem den Fortschritt der letzten 23 Jahre aufzeigen. Diesen Beitrag finden Sie auch in gekürzter Version in der Chemie Ingenieur Technik 12/2013 [DOI: 10.1002/cite.201250750].

Über die Autoren

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Dr. Dirk Demuth
Senior Vice President, Catalysis Research, BASF SE
Prof. Dr. Richard W. Fischer
Koordinator der strategischen Allianz MuniCat an der TU München, vormals Süd-Chemie
Prof. Dr. Hans-Joachim Freund
Direktor der Abteilung Chemische Physik am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Prof. em. Dr. Manfred Baerns
Professor Emeritus und Gast am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Am Anfang des letzten Jahrhunderts hat die Grundlagenforschung den technischen Fortschritt auf dem Gebiet der heterogenen Katalyse bestimmt. Das belegen vier Nobelpreise für katalytische Prozesse. Was hat sich seitdem geändert?
„Auch nach den bahnbrechenden Entwicklungen in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts hat es grundlegend-spektakuläre Entwicklungen gegeben.“ „Im Verlauf der letzten 25 Jahre ist auch eine Verzahnung der verschiedenen Katalyse-Systeme erfolgt.“ „Die Grundlagenforschung in der Katalyse hat sich in den letzten Jahrzehnten sehr weit fortentwickelt.“ „Die im letzten Interview 1990 von mir gegebene Antwort ist heute noch gültig , obwohl in den letzten 20 – 25 Jahren erhebliche Fortschritte erzielt wurden.“
Die zentrale Bedeutung der Katalyse in der chemischen Industrie ist unbestritten. Trotzdem erfolgen Entwicklung und Optimierung neuer Katalysatoren meist empirisch. Warum?
„Ein System ab initio vollständig zu verstehen, würde bedeuten, dass man alle wichtigen statischen und dynamischen Aspekte quantifizieren kann. Dies ist nur für einen Bruchteil der industriellen katalytischen Prozesse ansatzweise erreicht. „ „Jedes neue Problem bzw. Thema muss daher auch als solches behandelt werden. Aber dies erfolgt nicht immer ausschließlich empirisch!“ „Da das Auffinden von neuen Katalysatoren sowie deren Optimierung ein mehrdimensionales Problem darstellt, wird die Kombination von theoretischem Wissen, bereichert durch die Ergebnisse der „surface science“, mit empirischen Methoden nach wie vor den dominierenden Zugang darstellen.“ „Die Optimierung der Herstellungsverfahren erfolgt mehr oder weniger empirisch, da dieses Erfahrungsgebiet nicht im Fokus der Grundlagenforschung steht. „
Wie kann der oft zitierte „gap“ zwischen der Grundlagenforschung (Modellkatalysatoren) und der technischen Entwicklung realer Systeme überwunden werden?
„Ein Teil des „gaps“ erklärt sich daraus, dass die in der Grundlagenforschung untersuchten Systeme das katalytische Problem nicht „repräsentativ vereinfachen.““ „Eine Möglichkeit diesen oft systemimmanenten Gap deutlich zu verkleinern, ist die entsprechenden Parteien (Akademie und angewandte industrielle Entwicklung) so nahe wie möglich zusammen zu bringen. Code-Word hierfür: Industry on Campus.“ „Insofern kann man optimistisch auf die kommenden Entwicklungen blicken und schließen, dass sich in absehbarer Zeit ein weitergehendes Zusammenspiel von Grundlagen- und angewandter Katalyse-Forschung ergeben wird.“ „Durch theoretische Modellierung der katalytischen Reaktion und durch in-situ-Charakterisierung von Katalysatoren, insbesondere nanostrukturierter katalytischer Materialien, nimmt das Verständnis über heterogen katalysierte Reaktionen stetig zu.“
Das große Ziel, Katalysatoren für neue Prozesse vorherzusagen, ist noch nicht erreicht. Sind aussichtsreiche Methoden erkennbar?
„Ich möchte sogar die These aufstellen, dass es gar keinen Bedarf für diese Art von „Vorhersage“ gibt.“ „Eine „Weltformel“ für die Katalyse ist nicht zu erwarten.“ „Die Entwicklung von Prognosemethoden in Kooperation mit anderen Disziplinen wird erst dann erfolgen, wenn für das Realsystem die entscheidenden Faktoren identifiziert sind.“ „In den letzten zwei Jahrzehnten wurde die Verwendung von in-situ-Charakterisierungs-methoden ausgedehnt; damit können die katalytischen Materialien unter Bedingungen der katalytischen Reaktion, d.h. in Gegenwart der Reaktanden über einen weiten Bereich der experimentellen Bedingungen charakterisiert werden. „
Welche Entwicklungslinien sind erfolgversprechend und sollten deshalb mehr Beachtung finden?
„Last but not least ist es unabdingbar, dass auch in der akademischen Welt verschiedene Disziplinen projektorientiert zusammenfinden, um mit ihren jeweiligen Lösungspotentialen Gesamtprobleme und nicht nur isolierte Ausschnitte eines Problems zu lösen.“ „einige Anregungen:
– Intensive Kooperation der Verfahrenstechnik, der Anlagenbauer und der Katalysatorentwickler,
– Betrachtung des Katalysators als entscheidenden Prozess-Parameter und nicht lediglich nur als Mittel zum Zweck,…
„Die gegenwärtigen ökologischen und energiepolitischen Herausforderungen bestimmen auch die Entwicklungslinien der Katalyse- Forschung“ „Manche Anliegen verlieren nicht ihre Aktualität, wie aus meiner vor 23 Jahren gegebenen Antwort zu entnehmen ist“

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Sie sind die kleinen Helferlein der Synthese und verbringen manchmal fast schon Wunder: Organische Katalysatoren ermöglichen die hochselektive Herstellung von pharmazeutischen Wirkstoffen und anderen komplexen Molekülen. Doch umsonst sind solche Leistungen nicht zu haben: besonders chirale Katalysatoren sind sehr aufwändig zu synthetisieren und entsprechend teuer. Um so ärgerlicher, wenn sich die Substanzen nach der Reaktion nicht oder kaum aus dem Reaktionsgemisch zurückgewinnen lassen. Da sie in der Regel gelöst vorliegen, ist das recht häufig der Fall – anders als bei heterogenen Katalysatoren, die man zum Beispiel abfiltrieren kann.

Forscher vom MPI für Kohlenforschung und dem DTNW möchten die Helferlein deshalb an die Kette legen. Im Rahmen eines Projekts der industriellen Gemeinschaftsforschung arbeiten sie an Konzepten, um Organokatalysatoren an Geweben aus Polyamid oder Polyester zu verankern. Diese Textilien könnte man mitsamt den Katalysatoren nach erfolgter Reaktion aus dem Reaktionsgemisch nehmen, spülen und erneut einsetzen. Auch bei kontinuierlichen Verfahren könnten so die Katalysatoren im Reaktionsgemisch gehalten werden.

Die Kunst ist, die großen und komplexen Moleküle einerseits fest an das Gewebe zu binden, andererseits aber ihre Funktionalität nicht zu beeinträchtigen.  Verschiedene Molekültypen sollen zunächst an textile Oberflächen gebunden werden; dann wird untersucht, wie ihre katalytische Wirkung ist. Alternativ wollen die Wissenschaftler versuchen, die Moleküle direkt auf der Textiloberfläche herzustellen. Ist das Vorhaben erfolgreich, könnten sich für die Verfahrenstechnik weit kostengünstigere Einsatzmöglichkeiten für organische Katalysatoren eröffnen, als bisher zur Verfügung stehen.

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In einer heute veröffentlichten Studie beziffern die Internationale Energieagentur IEA, der internationale Chemieverband ICCA und die DECHEMA mögliche Energieeinsparungen in der Chemischen Industrie weltweit auf 13 Exajoule jährlich bis 2050. Das entspricht in etwa dem jährlichen Primärenergieverbrauch Deutschlands. Gleichzeitig könnte so die Entstehung von Treibhausgasen um 1 Gigatonne CO2-Äquivalente verringert werden. Schlüssel dafür ist die Weiterentwicklung von Katalysatoren in der chemischen Industrie; schon heute kommen sie in rund 90 % aller chemischen Prozesse zum Einsatz.

Unter dem Titel „Technologie-Roadmap: Einsparungen bei Energieeinsatz und Treibhausgasen in der chemischen Industrie durch katalytische Prozesse“ beschreiben die drei Organisationen, wie Industrie, politische Entscheidungsträger, Investoren und akademische Forschungseinrichtungen dazu beitragen können, das Potenzial der Katalyse weltweit voll auszuschöpfen. Dem Bericht zufolge könnte der weltweite Energieverbrauch durch kontinuierliche Verbesserungsprozesse, optimierte Verfahren und technologische Fortschritte bis 2050 um 13 Exajoule gesenkt werden; das entspricht in etwa dem jährlichen Primärenergieverbrauch Deutschlands. Gleichzeitig könnte so die Entstehung von Treibhausgasen um 1 Gigatonne CO2-Äquivalent verringert werden.

In rund 90 % aller chemischen Prozesse kommen Katalysatoren zum Einsatz, also Substanzen, die Reaktionen beschleunigen , ohne selbst verbraucht zu werden. Solche und ähnliche Verfahren erhöhen die Effizienz in der Produktion und verringern den Energieverbrauch, wodurch wiederum der Ausstoß an Treibhausgasen reduziert wird.

Maria van der Hoeven, Executive Director der IEA, erklärte dazu: „Energieeffizienz ist ein „versteckter“ Rohstoff. Sie senkt nicht nur den Verbrauch, sondern mindert auch Risiken von der Sicherheit der Energieversorgung bis zum Klimawandel. Die Roadmap zeigt, welche Maßnahmen die chemische Industrie weltweit sowie Regierungen ergreifen können, um im Jahr 2050 die Menge an Primärenergie und Treibhausgas-Emissionen einzusparen, die Deutschland heute benötigt.“

Die Autoren fordern politische Entscheidungsträger auf, politische Maßnahmen zu entwickeln und umzusetzen, die Investitionen in Energieeffizienz begünstigen und Hindernisse dafür abbauen. So sollen langfristige politische Rahmenbedingungen geschaffen werden, um mehr Investitionen in Katalysator- und Prozessoptimierungen zu erreichen und die Forschung und Entwicklung im Bereich der energieintensiven Prozesse zu fördern. Subventionen, die den Einsatz energieeffizienter Verfahren behindern, sollen laut Empfehlung des Berichts gestrichen werden. Die Organisationen drängen auf eine bessere Verknüpfung zwischen Geldgebern und der chemischen Industrie, um den dringenden Bedarf an Finanzmitteln für den Übergang zu kohlenstoffärmeren Geschäftsmodellen zu decken. Die Roadmap verweist außerdem auf die Notwendigkeit weltweiter und regionaler Zusammenarbeit im Rahmen von Industrieverbünden, um den Energieverbrauch und damit verbundene Emissionen zu senken.

Yoshimitsu Kobayashi, Leiter für Energie und Klimaschutz beim internationalen Chemieverband ICCA, sagte dazu: „Unter den Tausenden von Chemikalien, die jährlich hergestellt werden, sind nur 18 für etwa 80 Prozent des Energiebedarfs der chemischen Industrie und für 75 Prozent der Treibhausgase verantwortlich. Es stimmt, dass die Industrie erhebliche Effizienzsteigerungen bei dieser kleinen Gruppe von Chemikalien bereits umgesetzt hat, aber um die nächste Stufe für alle chemischen Produkte zu erreichen, sind weitere Entwicklungen und der Einsatz neuer Technologien nötig.“

Nach Aussage des Berichts können nachhaltige Rohstoffe wie Biomasse und Wasserstoff aus erneuerbaren Energien zusätzlich zur Reduzierung der Treibhausgase beitragen. Die Herausforderung besteht in beiden Fällen darin, dass langfristige Forschung und Entwicklung nötig sind, um den Energieeinsatz zu senken und die Technologie in der Breite einsatzfähig zu machen.

Rainer Diercks, Vorsitzender der DECHEMA e.V., erläuterte: „Katalyse ist eine Schlüsseltechnologie der chemischen Industrie. Wissenschaftliche Forschungseinrichtungen und Organisationen müssen über die nächsten 10 Jahre Impulse für die akademische und nationale Forschung an katalytischen Prozessen für großtechnische energieintensive Verfahren setzen. Im Schulterschluss mit der chemischen Industrie müssen die vielversprechendsten Erfolgsaussichten ausgearbeitet werden, damit technische Hürden für den großtechnischen Einsatz revolutionärer Technologien beseitigt werden können.“

Die Studie finden Sie unter: http://www.dechema.de/industrialcatalysis

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