„Selektivitätskontrolle bei der Hydrierung durch adaptive Katalyse unter Verwendung von Ruthenium-Nanopartikeln auf einem CO₂-empfindlichen Träger”

Chemische Umwandlungen mit molekularem Wasserstoff (H₂) sind Grundpfeiler der chemischen Industrie und werden in der gesamten Wertschöpfungskette von der Produktion von Kraftstoffen, Feinchemikalien, Agrochemikalien und Pharmazeutika eingesetzt. Mit dem Aufkommen alternativer, erneuerbarer Energiequellen und chemischer Ausgangsstoffe ist die permanente Weiterentwicklung neuartiger Wasserstofftechnologien von immer größerer Bedeutung. Katalysatoren sind unerlässlich, um die Aktivierung und den Transfer von Wasserstoff zu steuern, insbesondere für die selektive Umwandlung von aus Biomasse gewonnenen Substraten und Zwischenprodukten. In einer Welt, in der Flexibilität immer wichtiger wird, ist das Design und die Entwicklung solcher Katalysatoren, deren Reaktivität nach Belieben verändert werden kann oder sich sogar während des Prozesses selbst reguliert, von großem Interesse, bleibt aber eine Herausforderung.
In einem kürzlich in Nature Chemistry veröffentlichten Artikel berichtet nun ein internationales Team von Wissenschaftler*innen unter der Leitung von Prof. Walter Leitner, Direktor am Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion, über einen rational konstruierten Katalysator, der sich vollständig reversibel und in Echtzeit an Veränderungen im Reaktionssystem anpasst und so die selektive Erzeugung verschiedener Produkte in Abhängigkeit von der Wasserstoffquelle ermöglicht.

Bisher entwickelte Katalysatoren weisen zwar oft hervorragende Eigenschaften in Bezug auf die ihnen zugedachten Aufgaben auf, sind aber typischerweise so optimiert, dass ihre Leistung statisch bleibt. Die Entwicklung eines adaptiven katalytischen Systems - damit ist ein katalytisches System gemeint, dessen Reaktivität bei Änderungen der reaktiven Umgebung reversibel verändert wird - ist besonders schwierig. Um diese Herausforderung zu meistern, kombinierte das Forscherteam seine Expertise auf dem Gebiet der Katalyse auf der Basis von Nanopartikeln (Alexis Bordet, Sami El Sayed und Kollegen vom MPI CEC und der RWTH Aachen) und CO₂-responsiven Materialien (Gruppe von Philip G. Jessop, Queen's University). Bei der Hydrierungsreaktion, die zu unterschiedlichen Produkten führen kann, ist der neue Katalysator in der Lage zu "erkennen", ob das Einsatzgas aus reinem Wasserstoff oder aus einem Gemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid (CO₂) besteht. Abhängig nur von der Gaszufuhr arbeitet er in zwei verschiedenen Modi und erzeugt selektiv zwei verschiedene Produkte aus demselben Ausgangsmaterial unter ansonsten identischen Bedingungen. Die beiden Betriebsmodi können nahezu in Echtzeit hin- und hergeschaltet werden. 

"Unser Ziel war es, ein katalytisches System zu entwickeln, das in der Lage ist, seine Reaktivität und insbesondere die Selektivität vollständig kontrollierbar und reversibel an seine Umgebung anzupassen. Der Katalysator kann seine Leistung automatisch ändern, so wie ein Chamäleon seine Farbe ändern würde", erklärt Dr. Alexis Bordet, Gruppenleiter am MPI CEC in der Abteilung von Prof. Walter Leitner.

Diese Studie und internationale Kooperation wurde insbesondere durch das Exzellenzcluster "The Fuel Science Center" unterstützt, das sich die Entwicklung adaptiver katalytischer Systeme als eines seiner Hauptziele gesetzt hat. Die Autoren hoffen, dass ihr Konzeptnachweis eines adaptiven katalytischen Systems für Hydrierungsreaktionen viele neue Möglichkeiten für die Entwicklung anderer adaptiver katalytischer Systeme eröffnet und flexible Produktionsschemata auf der Basis von erneuerbaren Rohstoffen und Energieversorgung ermöglicht.

Details zur Forschung:

Die Wissenschaftler*innen haben einen multifunktionalen Hydrierungskatalysator hergestellt, der aus Ruthenium-Nanopartikeln besteht, die auf einem Amin-funktionalisierten Träger immobilisiert sind, und ihn für die Hydrierung eines aus Biomasse gewonnenen Moleküls, Furfuralaceton, eingesetzt.
Wenn die Hydrierung unter einem Druck von reinem Wasserstoff (H₂) durchgeführt wurde, wurde Furfuralaceton vollständig hydriert, um den entsprechenden gesättigten Alkohol zu erhalten. Wenn jedoch ein Gemisch aus H₂ und Kohlendioxid (CO₂) verwendet wurde, wurde eine starke Änderung der Selektivität beobachtet, bei der der Furanring und die Doppelbindung noch effizient hydriert wurden, während das Keton erhalten blieb.
Die Änderung der Selektivität - die bei einem Referenz-Ru@SiO2 nicht beobachtet wurde - ist vermutlich auf die Bildung einer Alkylammoniumformiat-Spezies zurückzuführen, die aus der Reaktion zwischen der Aminfunktionalität, CO₂ und H₂ stammt. Dieser Prozess ist reversibel und erlaubt es, die Zusammensetzung des Einsatzgases zwischen H₂ und CO₂ + H₂ im Durchflussreaktor hin und her zu schalten, um entweder den gesättigten Alkohol oder das gesättigte Keton in exzellenten Selektivitäten und Ausbeuten zu produzieren.

Original Paper: Bordet, A., El Sayed, S., Sanger, M., Boniface, K. J., Kalsi, D., Luska, K. L., Jessop, P. G., Leitner, W. Selectivity control in hydrogenation through adaptive catalysis using ruthenium nanoparticles on a CO₂-responsive support. Nat. Chem. (2021). https://doi.org/10.1038/s41557-021-00735-w

Für weitere Informationen über das Design von multifunktionalen Katalysatoren: Bordet, A., Leitner, W. Metal Nanoparticles Immobilized on Molecularly Modified Surfaces: Versatile Catalytic Systems for Controlled Hydrogenation and Hydrogenolysis. Acc. Chem. Res. (2021). 54 (9), 2144-2157. https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00013

Beteiligte Gruppen:

Funding acknowledgement

• Deutsche Forschungsgemeinschaft – Exzellenzcluster 2186 ‘The Fuel Science Center’ (ID: 390919832)
• Max-Planck-Gesellschaft (Max Planck Society)