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Eisenoxidkatalysator Die gute Seite des Rosts: der Eisenoxidkatalysator

Autor / Redakteur: Ute v. Zweydorff* / Dr. Ilka Ottleben

Schon Goethe stellte fest: „Das ist es ja, was man begehrt: Der Rost macht erst die Münze wert“ (Faust II Vers 8223, 8224). Rostocker Wissenschaftler haben nun eine neue, faszinierende Seite des allseits unbeliebten Rostes entdeckt – mit einer Fülle von Anwendungsmöglichkeiten.

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1 Rost kann zerstörerische Auswirkungen auf Liebgewonnenes haben – das dies aber längst nicht die einzige Eigenschaft von Rost ist, ​ haben nun Rostocker Wissenschaftler entdeckt.
1 Rost kann zerstörerische Auswirkungen auf Liebgewonnenes haben – das dies aber längst nicht die einzige Eigenschaft von Rost ist, ​ haben nun Rostocker Wissenschaftler entdeckt.
(Bild: © cmuenze - Fotolia.com)

Rost wird im Allgemeinen als störend oder sogar zerstörerisch angesehen. Aus eigener Erfahrung im privaten Lebensbereich weiß man, welche Schäden Rost verursachen kann. Wissenschaftler vom Rostocker Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) haben nun eine andere faszinierende Seite des Rostes mit einer Fülle von Anwendungsmöglichkeiten entdeckt. Sie entwickelten einen Katalysator für die Herstellung aromatischer Amine, dessen Hauptbestandteil Eisenoxid, also Rost, ist. Sowohl für die Wissenschaft als auch die Wirtschaft eine interessante Entwicklung. „Im Zeitalter immer knapper werdender Ressourcen ist eine solche Synthese in doppelter Hinsicht wichtig: Das Eisen, das hier als Beschleuniger arbeitet, ist das häufigste auf unserer Erde vorkommende Metall. Dieser sehr preiswerte Stoff wiederum unterstützt die Erzeugung von Zwischenprodukten, die sehr wichtig für die Herstellung einer großen Vielzahl von Produkten unseres täglichen Bedarfs sind“, erläutert Matthias Beller, Direktor des Leibniz-Instituts für Katalyse in Rostock und Leiter des Forscher-Teams.

Diese Zwischenprodukte, von denen jährlich über vier Millionen Tonnen Absatz finden, sind aromatische Aminderivate – so genannte Aniline. Aromatische Aminderivate werden heute in großtechnischem Maßstab zur Herstellung von Lacken und Farben, Agrochemikalien und pharmazeutischen Produkten verwendet. Sie können durch katalytische Hydrierung erzeugt werden. Ausgangsstoffe für diesen Prozess sind Nitroarene (z.B. Nitrobenzol). Diese reagieren in Gegenwart eines Katalysators unter Zugabe von Wasserstoff zu aromatischen Aminen (z.B. Anilin).

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Vorteile der Katalysatoren auf Eisenoxidbasis

Die Entwicklung und Verwendung von Katalysatoren für dieses Verfahren hat eine über 50-jährige Tradition. So kamen verschiedene Edelmetalle wie Palladium, Rhodium, Ruthenium oder Iridium zum Einsatz, wobei insbesondere hohe Kosten und eine geringe Verfügbarkeit sich als nachteilig erwiesen. Die bis dato in der Großindustrie verwendeten Katalysatoren sind außerdem aufgrund ihrer teilweise hochkomplizierten Strukturen in der Herstellung und im Umgang sehr anspruchsvoll. Dadurch sind ihre Anwendungsmöglichkeiten für die Herstellung einer Vielzahl von Verbindungen sehr eingeschränkt.

Katalysatoren auf Eisenoxidbasis zeichneten sich durch ihre Langlebigkeit und Ergiebigkeit aus. Diese Eigenschaften und ihre Umweltfreundlichkeit, ihre Nachhaltigkeit verbunden mit ihrer geringen Toxizität machten Eisenoxidkatalysatoren zu idealen Prozessbeschleunigern.

Aus industrieller Sicht ist auch eine mögliche Rückgewinnung der eingesetzten Katalysatoren sehr wichtig. So ist ein Recycling von Eisenoxidkatalysatoren, die in heterogenkatalytischen Reaktionen eingesetzt werden, anders als bei den homogenen Vorläufer-Katalysen ebenfalls möglich.

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.

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.

Literatur

[1] Rajenahally V. Jagadeesh, Annette-Enrica Surkus, Henrik Junge, Marga-Martina Pohl, Jörg Radnik, Jabor Rabeah, Heming Huan, Volker Schünemann, Angelika Brückner, Matthias Beller: Nanoscale Fe2O3-Based Catalysts for Selective Hydrogenation of Nitroarenes to Anilines. Science 29 November 2013: Vol. 342 no. 6162 pp. 1073-1076, DOI: 10.1126/science.1242005

* U. v. Zweydorff: Leibniz-Institut für Katalyse e.V. an der Universität Rostock (LIKAT), 18059 Rostock

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