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Posts Tagged ‘Katalyse’

von Edward Nürenberg, Timo Rabe und Sebastian Leubner

Während der Promotion kann es oft schwierig sein, das universitäre Umfeld zu verlassen und sich Anregungen für die spätere berufliche Laufbahn anzueignen. Der Workshop „Zeolites in Contemporary Applications” der ProcessNet-Fachgruppe Zeolithe und der BASF SE am 17.-19.09.2018 in Ludwigshafen gab 20 Studenten und Promotionsstudenten der Chemie und MaterialwisGruppenbildsenschaften aus ganz Deutschland genau dazu die Möglichkeit. Gemeinsam mit sechs fachkundigen Experten auf dem Gebiet der Zeolithe und porösen Materialien in Bezug auf Katalyse diskutierten sie aktuelle Anwendungen von Zeolithen und bekamen so Einblicke in die aktuelle Forschung und Anwendung dieser vielseitigen Materialien.

Deutsche Zeolith-Tagung 2019

Mehr zu Zeolithen gibt es vom 6.-8. März 2019 bei der Deutschen Zeolith-Tagung. Reichen Sie bis zum 3. Dezember Ihren Beitrag ein!

Das wissenschaftliche Programm umfasste vier Vorträge aus dem Bereich der akademischen Forschung und zwei anwendungsorientierte Präsentationen von Wissenschaftlern der BASF SE. Eine Postersession ermöglichte das weite Feld der Zeolith-Forschung aktiv zu erkunden, eigene Forschungsergebnisse zu präsentieren sowie in regen wissenschaftlichen Austausch mit anderen Teilnehmern und Vertretern der BASF SE zu treten.

Eine Busrundfahrt über das BASF-Gelände verschaffte einen beeindruckenden Einblick in die größte zusammenhängende Chemieanlage der Welt. Die anschließende Podiumsdiskussion mit Vertretern von Universitäten und der Industrie rundete die Veranstaltung ab.

Der Workshop war sehr gut von der BASF und der Fachgruppe Zeolithe organisiert, umfasste eine breite Auswahl von relevanten wissenschaftlichen Themen und bot gute Möglichkeiten zu Interaktionen zwischen den akademischen Teilnehmern untereinander sowie mit den Vertretern der BASF. Besonders spannend am Programm war die Verbindung zwischen industriell etablierten Zeolith-basierten Systemen und futuristischen Neuentwicklungen, welche schon gegenwärtig und in Zukunft in wichtigen Bereichen wie der Medizin, Wasseraufbereitung, Katalyse, Energiespeicherung und vielen anderen von hoher Relevanz sein werden.

Der Workshop kombinierte hervorragend zwei Facetten; zum einen über aktuelle und schon dagewesene Forschung mit Experten auf diesem Gebiet zu diskutieren und sich selbst weiterzubilden und zum anderen die innere Struktur eines Großkonzernes kennenzulernen. So war dieser Workshop eine wunderbare Chance, einen Einblick in die die Welt jenseits der Universität zu bekommen.

 

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The 51st Katalytikertagung (German Catalysis Meeting) took place in Weimar from 14-16 March 2018. Whether you missed it or want to revive your memory, we have created a little review from the tweets:

 

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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

Demuth_klein fischer_klein freund_klein baerns_klein
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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