Katalysatoren zijn belangrijke materialen in de moderne samenleving, selectieve omzetting van grondstoffen in waardevolle producten mogelijk maken, afval verminderen en energie besparen. In het geval van industrieel relevante oxidatieve dehydrogeneringsreacties, de meeste bekende katalysatorsystemen zijn gebaseerd op overgangsmetalen zoals ijzer, vanadium, molybdeen of zilver. Vanwege intrinsieke nadelen verbonden aan het gebruik van overgangsmetalen, zoals zeldzaam voorkomen, milieubelastende mijnbouwprocessen, en toxiciteit, het feit dat pure koolstof katalytische activiteit vertoont bij dit type reactie en dus een hoog potentieel heeft als duurzaam substitutiemateriaal is van groot belang.

Daten, de ontwikkeling van op koolstof gebaseerde katalysatoren voor oxidatieve dehydrogeneringsreacties kan in twee generaties worden verdeeld. De eerste generatie koolstofkatalysatoren werd geïnspireerd door de ontdekking van de katalytische activiteit van cokesafzettingen op metaalgebaseerde katalysatoren voor oxidatieve dehydrogenering. Vervolgens, voornamelijk amorfe koolstofmaterialen zoals actieve kool of roet werden onderzocht. Hoewel deze vroege katalysatoren significante activiteit en selectiviteit vertoonden, ze leden aan onvoldoende oxidatiestabiliteit en werden later opgevolgd door de tweede generatie op koolstof gebaseerde dehydrogeneringskatalysatoren, vertegenwoordigd door koolstofnanomaterialen, bijv. koolstof nanobuisjes. Het voordeel van nanokoolstoffen ten opzichte van de amorfe katalysatoren van de eerste generatie komt voornamelijk voort uit hun kristallijne microstructuur, die enerzijds verantwoordelijk is voor een adequate oxidatieweerstand en anderzijds hoge redoxactiviteiten mogelijk maakt. Omdat nanokoolstoffen geen interne porositeit hebben, deze actieve plaatsen bevinden zich aan de buitenkant, waardoor ze gemakkelijk toegankelijk zijn voor reactanten. Echter, nanokoolstoffen vertonen tijdens het hanteren nadelen als poeder en vaste bedden of onduidelijke gezondheidsrisico's en wachten daarom nog op industriële toepassing als katalytisch materiaal.

Gezien het hoge potentieel van koolstofkatalysatoren in oxidatieve dehydrogeneringsreacties, de onderzoeksgroep van professor Bastian J.M. Etzold werkt al enkele jaren aan de synthese van nieuwe klassen koolstof met als doel de uitstekende katalytische eigenschappen van nanokoolstoffen over te brengen naar conventionele, gemakkelijk te hanteren koolstofmaterialen. Al in 2015 er werd aangetoond dat van carbide afgeleide koolstoffen in principe kunnen worden gebruikt om vergelijkbare katalytische eigenschappen te bereiken als koolstofnanomaterialen. Echter, aangezien van carbide afgeleide koolstoffen vanwege hun complexe synthese slechts modelmaterialen zijn voor onderzoeksdoeleinden, het fundamentele onderzoeksdoel van het ontwikkelen van een schaalbare en reproduceerbare synthetische route naar technisch bruikbare koolstofkatalysatoren bleef. In samenwerking met professor Wei Qi van het Shenyang National Laboratory of Material Science in Shenyang, PR China, evenals professor Jan Philipp Hofmann van het Surface Science Laboratory aan de TU Darmstadt, Felix Herold, een doctoraat student in de Etzoldgroep, is er nu in geslaagd een nieuwe generatie koolstofkatalysatoren te synthetiseren die in veel opzichten superieur is aan nanokoolstoffen.

De synthese van de nieuwe koolstofkatalysatoren is gebaseerd op polymere koolstofprecursoren die kunnen worden geproduceerd door een reproduceerbare en gemakkelijk schaalbare synthetische route, terwijl ze een uitstekende controle bieden over de morfologie van de daaropvolgende koolstof. Met behulp van katalytische grafitisatie, er werd aangetoond dat tijdens pyrolyse van de polymeerprecursor, grafietkristallieten op nanoschaal zouden in de koolstofmatrix kunnen worden gekweekt. Fundamenteel in deze context lijkt de aanwezigheid van grote geconjugeerde (grafische) domeinen die worden gekenmerkt door een hoge dichtheid van defectlocaties, waar zuurstof oppervlaktegroepen, zoals ketoncarbonylgroepen, ontstaan ​​tijdens de reactie. De activiteit van deze oppervlaktegroepen lijkt te worden verhoogd door de aangrenzende geconjugeerde (grafiet) domeinen, die kan fungeren als elektronenopslag. Katalytische grafitisering levert een amorf/grafiet hybride materiaal op dat bestaat uit de eerder gegroeide grafietkristallieten omgeven door een amorfe koolstofmatrix. Om een ​​actieve dehydrogeneringskatalysator te verkrijgen, de amorfe koolstofmatrix wordt verwijderd door selectieve oxidatie, het openen van de poriestructuur van het koolstofmateriaal en het verschaffen van toegang tot de katalytisch actieve grafietdomeinen.

De oxidatieve dehydrogenering van ethanol werd gekozen als een testreactie van groot praktisch belang, omdat het een katalytische link vormt tussen bio-ethanol, die gemakkelijk kan worden verkregen uit hernieuwbare bronnen, en aceetaldehyde, een belangrijk intermediair in de huidige industriële chemie. Vergeleken met een benchmark-katalysator voor koolstofnanobuisjes, tot 10 keer hogere ruimte-tijdopbrengsten kunnen worden bereikt met de nieuwe klasse van koolstofmaterialen.

De nieuwe koolstofkatalysatoren die in dit werk worden gepresenteerd, zijn van groot belang, terwijl ze de deur openen naar een nieuwe klasse materialen, waarvan het potentieel nog moet worden beoordeeld vanwege meerdere optimalisatiemogelijkheden van de flexibele synthetische route. Naast het gebruik van de nieuwe klasse van koolstofkatalysatoren bij de oxidatieve dehydrogenering van andere relevante substraten, zoals alkanen en andere alcoholen, ook wordt verwacht dat het toepassingsgebied zal worden uitgebreid tot elektro- en fotokatalyse.