Titaansilicaliet-1 (TS-1) is geen nieuwe katalysator:het is bijna 40 jaar geleden sinds de ontwikkeling en de ontdekking van het vermogen om propyleen om te zetten in propyleenoxide, een belangrijke basischemicalie in de chemische industrie. Nutsvoorzieningen, door verschillende methoden te combineren, een team van wetenschappers van ETH Zürich, de Universiteit van Keulen, het Fritz Haber Instituut en BASF hebben het verrassende werkingsmechanisme van deze katalysator onthuld. uit Keulen, hierbij was de werkgroep van prof.dr. Albrecht Berkessel van de afdeling Scheikunde betrokken. Deze bevindingen zullen katalysatoronderzoek helpen een belangrijke stap voorwaarts te zetten.

Propyleenoxide wordt in de industrie gebruikt om producten te maken zoals polyurethaan, antivriesadditieven en hydraulische vloeistoffen. Jaarlijks wordt in de chemische industrie wereldwijd meer dan 11 miljoen ton propyleenoxide geproduceerd, waarvan 1 miljoen ton al wordt geproduceerd door de oxidatie van propyleen met waterstofperoxide. Deze chemische reactie wordt gekatalyseerd door TS-1, een microporeuze, kristallijn materiaal dat bestaat uit silicium en zuurstof en kleine hoeveelheden titanium bevat. De katalysator wordt al 40 jaar met succes gebruikt en experts gingen ervan uit dat het actieve centrum in TS-1 individuele, geïsoleerde titaanatomen die zorgen voor de speciale reactiviteit van de katalysator.

Een team van onderzoekers van de ETH Zürich, de Universiteit van Keulen, het Fritz Haber Instituut en BASF zetten vraagtekens bij deze veronderstelling. "In recente jaren, twijfels zijn gerezen of de veronderstelling over het werkingsmechanisme juist is, omdat het voornamelijk gebaseerd is op analogieën met vergelijkbare katalysatoren en minder op experimenteel bewijs. Maar als je een katalysator probeert te optimaliseren op basis van een verkeerde aanname, het is erg moeilijk en kan je in de verkeerde richting leiden. Het was daarom belangrijk om deze veronderstelling nader te onderzoeken, " legt BASF-wetenschapper Dr. Henrique Teles uit, een van de co-auteurs van de wetenschappelijke publicatie, uitgangspunt voor de samenwerking.

In een studie die nu is gepubliceerd in Natuur , het team kon door gebruik te maken van solid-state NMR-onderzoeken en computermodellering, om aan te tonen dat twee naburige titaanatomen nodig zijn om de specifieke katalytische activiteit te verklaren. Dit leidde er op zijn beurt toe dat het onderzoeksteam concludeerde dat de titaniumatomen niet geïsoleerd zijn, maar dat het katalytisch actieve centrum bestaat uit een titaniumpaar. "Geen van de methoden die we in het onderzoek hebben gebruikt, is fundamenteel nieuw, maar geen van de onderzoeksgroepen die bij het onderzoek betrokken waren, had het onderzoek alleen kunnen uitvoeren, " benadrukt prof. Christophe Copéret van ETH Zürich, de correspondentieauteur van de publicatie. "Alleen de combinatie van verschillende expertisegebieden en verschillende technieken maakte het mogelijk om het actieve centrum van de katalysator nader te onderzoeken."

"We hebben jarenlang gewerkt aan het ophelderen van het reactiemechanisme van een homogene titaniumkatalysator en ontdekten dat - in tegenstelling tot de aannames in de literatuur - het waterstofperoxide wordt geactiveerd door een titaniumpaar. Het was echt een bijzonder moment toen we zagen in de huidige studie dat de bevindingen van homogene katalyse ook gelden voor heterogene katalyse, " zei co-auteur Prof. Albrecht Berkessel van de Universiteit van Keulen. En Dr. Thomas Lunkenbein, co-auteur van het Fritz Haber Instituut in Berlijn, voegt toe:"We zijn erg blij dat we een bijdrage hebben kunnen leveren aan dit onderzoek. Met onze analyses, we hebben de conclusies kunnen onderbouwen. De kennis van een diatomisch actief centrum is van fundamenteel belang en opent nieuwe mogelijkheden in het katalysatoronderzoek."

Het team is ervan overtuigd dat de bevindingen van deze studie niet alleen zullen helpen om bestaande katalysatoren te verbeteren, maar ook om nieuwe homogene en heterogene katalysatoren te ontwikkelen.