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Eisenoxidkatalysator

Die gute Seite des Rosts: der Eisenoxidkatalysator

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Nutzbarkeit des Eisenoxidkatalysators an über 80 Beispielen demonstriert

Großes Interesse in der Wissenschaftscommunity verursachten daher Wissenschaftler des LIKAT als sie neue Katalysatoren zur Gewinnung einer großen Anzahl verschiedener aromatischer Amine auf Basis von modifiziertem Eisenoxid vorstellten [1]. Die Grundlage des entwickelten Katalysators ist also eine Art Rost.

Eisen(II)-acetat wird zunächst mit einem Liganden vermischt. Als Liganden werden Moleküle bezeichnet, die das Metallatom – wie hier das Eisen – umgeben. Dieses Gemisch wird unter Zugabe von Aktivkohlepulver, das als grafitstrukturierter Kohlenstoffträger dient, auf etwa 800 °C erhitzt. Durch die nachfolgend ablaufende Pyrolyse – eine thermische Zersetzung – ordnen sich die Moleküle vollständig neu. Der so gebildete Katalysator, Eisenoxid umgeben von einzelnen Stickstoffatomen, kann nun zur Umwandlung einer großen Vielzahl verschiedenster Nitroaromaten durch Zugabe von Wasserstoff in die gewünschten aromatischen Amin-Derivate eingesetzt werden. Wichtig dabei ist außerdem die bis dato einzigartige Anwendungsbreite des gefundenen katalytischen Systems. Das Forschungsteam konnte in über 80 Beispielen dessen Nutzbarkeit vorstellen. Für eine zukünftige kommerzielle Nutzung ein enorm wichtiger Aspekt.

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Analyse der Katalysatoren mit breitem Methodenspektrum

Zur Katalysatoroptimierung und zur Analyse der untersuchten Katalysatoren kamen verschiedene analytische Methoden zum Einsatz. Neben der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) dienten auch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), die Untersuchung der Elektronenspinresonanz (EPR), die Mössbauer-Spektroskopie sowie die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) zur Identifizierung. Durch die Kombination dieser Analysemethoden sind die Wissenschaftler in der Lage, die Strukturen der entwickelten Katalysatoren darzustellen. Auf diese Weise konnte nachgewiesen werden, dass sich bei dem aktivsten Eisenoxidkatalysator die Moleküle nach der Pyrolyse so neu angeordnet hatten, dass das Eisenoxid von einigen Kohlenstoffschichten umschlossen ist und von einzelnen Stickstoffatomen umgeben wird. Diese spezielle Anordnung der Moleküle ist es, die dem Katalysator seine hervorragenden Eigenschaften verleiht. Das konnten die Wissenschaftler eindeutig belegen. Abbildung 2 zeigt in einer grafischen Nachbildung die Katalysatoroberfläche – Rost auf einem grafitstrukturierten Kohle-Träger von einzelnen Stickstoffmolekülen umgeben.

Kostengünstige Bestandteile, hohe Stabilität

Ein industriell anwendbarer Katalysator muss neben einer hohen Selektivität auch weitere Eigenschaften aufweisen. Er soll während des Prozesses stabil bleiben, um weiter verwendet werden zu können und er muss möglichst einfach zurückzugewinnen sein, um erneut im Herstellungsprozess eingesetzt werden zu können.

Diese Eigenschaften sind ausschlaggebend für einen kostengünstigen industriellen Produktionsprozess. Deshalb führten die Wissenschaftler des LIKAT mit dem entwickelten Katalysator entsprechende Tests durch. Der Eisenoxidkatalysator wurde zurückgewonnen und für mehrere Zyklen in der Hydrierung wiederverwendet. Hier zeigte er eine überaus hohe Stabilität.

Seine vielseitige Verwendbarkeit, seine hohe Effektivität und Stabilität und besonders seine kostengünstigen Bestandteile sind wichtige Aspekte für die zukünftige kommerzielle Nutzung des neu entwickelten Katalysators auf der Basis von Eisenoxid. Auf diese Weise können zukünftig Amine, von denen insgesamt jährlich mehrere Millionen Tonnen weltweit Absatz finden, energiesparend, umweltfreundlich und preiswert hergestellt werden.

Dieses Forschungsergebnis zeigt, dass Rost anders als noch zu Goethes Zeiten heute auch als Veredler von chemischen Stoffen wirken kann und diese so wertvoller macht.

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