Katalysatoren zijn middelen die chemische reacties initiëren, versnellen of de opbrengst van het gewenste product aanzienlijk verhogen. Nieuwe en verbeterde katalysatoren worden dus beschouwd als de sleutel tot duurzamere en efficiëntere productieprocessen in de chemische industrie. In een gezamenlijk onderzoeksproject vijf professoren aan de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) en hun teams hebben onlangs ontdekt hoe de bekende nadelen van de technische katalysatoren die momenteel in gebruik zijn kunnen omzeilen door middel van een nieuw materiaalconcept dat het creëren van aanzienlijk efficiëntere katalysatoren mogelijk.

Deze nieuwe generatie katalysatoren maakt gebruik van vloeibare druppels van een metaallegering die zijn bevestigd aan poreuze dragers die in contact worden gebracht met de gasvormige reactanten. De microscopisch kleine druppeltjes legering zijn vloeibaar omdat ze een hoog gehalte aan gallium, een element met een zeer laag smeltpunt. Tegelijkertijd, deze hoge concentratie gallium zorgt ervoor dat de atomen van de opgeloste secundaire metaalcomponenten grondig worden gedispergeerd:de individuele metaalatomen in oplossing in het gallium zijn verantwoordelijk voor het katalytische effect. De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in het toonaangevende vaktijdschrift Natuurchemie .

Ondersteunde vloeibare katalysatoren

In het afgelopen decennium is onderzoekers van FAU hebben herhaaldelijk hun internationale superioriteit op het gebied van innovaties van katalysatormateriaal kunnen aantonen. Catalytic Materials is dan ook een belangrijk onderzoeksgebied binnen de Cluster of Excellence Engineering of Advanced Materials (EAM) van de FAU. Ondersteunde vloeibare katalysatoren zijn vaak het aandachtspunt geweest voor de op FAU gebaseerde onderzoekers. Deze combineren de voordelen van op maat gemaakte moleculaire reactieversnellers met het voordeel dat ze gemakkelijker van het product kunnen worden gescheiden. In het concept geschetst in het artikel gepubliceerd in Natuurchemie , het gebruik van metaallegeringen in vloeibare katalysatoren op drager wordt voor het eerst beschreven. In aanvulling, het is ook de eerste keer dat katalytische activiteit wordt toegeschreven aan vloeibare metaallegeringen.

Bovendien, de in eerste instantie geteste materiaalcombinaties bleken aanzienlijk beter te presteren dan standaard technische katalysatoren die jaren nodig hadden om zich te ontwikkelen. 'Het is bijzonder interessant dat er weinig tot geen deactivering van de ondersteunde metaalcomplexen is wanneer er zich koolstofafzettingen vormen, ' zegt professor Peter Wasserscheid. 'Het zijn dit soort afzettingen die de belangrijkste oorzaak zijn van de deactivering van katalysatoren die worden gebruikt voor katalytische conversie bij hoge temperaturen door de petrochemische industrie.' Bij de uitdroging van butaan konden de onderzoekers dit belangrijke effect aantonen. De speciale structurele aard van deze nieuwe klasse materialen werd ontdekt door vier groepen die samenwerkten:microscopische analyse werd uitgevoerd door het team onder Wolfgang Peuker, de teams van Hans-Peter Steinrück en Christian Papp voltooiden de spectrografische analyse, Het team van Rainer Hock was verantwoordelijk voor de radiografische analyse, terwijl de bijbehorende berekeningen werden uitgevoerd door Andreas Görling en zijn collega's.

Gallium:het geheim van succes

Het element gallium speelt een centrale rol in deze nieuwe klasse van materialen. Gallium smelt rond de 30°C en heeft een kookpunt van 2400°C. Het bezit het unieke vermogen om bijna alle andere metalen op te lossen. Wanneer het wordt blootgesteld aan lucht, ultradunne lagen oxide vormen zich op het oppervlak van gallium; echter, deze worden terug omgezet naar het oorspronkelijke element onder de omstandigheden die tijdens veel katalytische processen worden verkregen. Daten, de op de FAU gebaseerde onderzoekers hebben hun spectaculaire resultaten bereikt met palladium opgelost in gallium. Vervolgens willen ze verder onderzoek doen om uit te vinden of deze buitengewone effecten ook kunnen worden verkregen met niet-edele metalen opgelost in gallium en ook of de effecten kunnen worden gereproduceerd in verband met andere chemische reacties. 'Onze berekeningen brengen ons ertoe te veronderstellen dat afzonderlijke metaalatomen opgelost in gallium totaal andere reactieve eigenschappen kunnen vertonen dan diezelfde metaal in kristallijne vorm gewoonlijk zal vertonen, ', legt Andreas Görling uit. 'Daarom zijn we zo gefascineerd door deze nieuwe klasse van katalytische materialen. We zijn ervan overtuigd dat met behulp van ondersteunde legeringscomplexen, zeer efficiënte en zeer kosteneffectieve katalysatoren kunnen worden ontwikkeld die een aanzienlijk potentieel hebben met betrekking tot industriële toepassingen, ', voegt Hans-Peter Steinrück eraan toe.