Innovative Katalysatorplattform verbessert das Verständnis von arbeitenden Katalysatoren

Eine neuartige Katalysatorplattform, bekannt als Laterally Condensed Catalysts (LCC), wurde entwickelt, um das Design und die Analyse der funktionalen Schnittstelle zu ermöglichen, die die aktive Masse mit ihrer Unterstützung verbindet. Diese Schnittstelle beeinflusst nicht nur die chemischen Eigenschaften der reaktiven Schnittstelle, sondern kontrolliert auch deren Stabilität und damit die Nachhaltigkeit der katalytischen Materialien.

Wichtige Merkmale von LCC

Unbeschränkte Kombinationen in der Zusammensetzung zwischen aktiver Phase und Unterstützung ermöglichen beispielsweise den direkten Energietransfer zur reaktiven Schnittstelle in der Elektrokatalyse oder elektrischen Heizung. Die physikalische Synthesemethodik im Rahmen des FHI-HZB CatLab-Projekts, die aus der Solarzellentechnologie stammt, ermöglicht den Zugang zu präzisen und homogenen Strukturen und Chemie. Dies erleichtert das mechanistische Verständnis von arbeitenden Katalysatoren und deren anschließende Optimierung durch die Untersuchung reaktiver und funktionaler Schnittstellen mittels Operando-Spektroskopie. Die hier untersuchten Dünnschichtkatalysatoren wurden mit dem Ziel synthetisiert, die Schnittstellenstruktur von Leistungskatalysatoren zu entwerfen und die Materiallücke zwischen Modell- und realen Pulverkatalysatoren zu schließen, während der Einsatz von Edelmetallen minimiert wird. Seine einzigartige flache und dicht gepackte Struktur (LCC) ermöglicht es, eine homogene hohe Dichte an oberflächenaktiven Stellen zu erreichen, wodurch der Gehalt an Material im "Bulk" oder der Unterfläche der aktiven Katalysatoren minimiert wird, was sich positiv auf die Selektivität der katalysierten Reaktion auswirkt.

Wichtige Aspekte

• Neue Katalysatorplattform: Die Laterally-Condensed Catalysts (LCC) ermöglichen es, die Lücke zwischen komplexen industriellen Pulverkatalysatoren und Einkristall-Modellkatalysatoren zu überbrücken.
• Ressourceneffizienz: Nutzt eine minimale Menge an Palladium, einem Edelmetall, durch ein Dünnschichtdesign als Landschaft aktiver Stellen, reduziert Materialkosten bei gleichzeitiger Erhaltung der Aktivität.
• Alternative Ethylenquelle: Schlägt die Verwendung von Abfall-Acetylen aus der Pyrolyse (CO2-Minderungsprozess) anstelle des Steamcrackings fossiler Brennstoffe vor, was zur Produktion von grünem Ethylen führt.
• Selbstanpassungsfähigkeit: Verfügt über eine einzigartige Struktur, die sich selbst anpasst und so eine konsistente und zuverlässige Leistung über die Zeit gewährleistet. Insbesondere ermöglichen die LCCs die Auflösung der optimalen Menge an C in Pd, die erforderlich ist, um die Semihydrierungsreaktionsroute zu begünstigen.

Auswirkungen auf die Industrie

Im Bereich der industriellen Chemie und im Hinblick auf das herausfordernde Ziel, eine Kreislaufgesellschaft zu erreichen, ist die Umwandlung von Nebenprodukten in wertvolle Ressourcen eine bedeutende Herausforderung. Durch die Behandlung von Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit Acetylen und die Optimierung der Ressourcennutzung trägt diese Forschung zu einer sichereren, effizienteren und umweltfreundlicheren chemischen Herstellung bei. Durch die Verwendung erneuerbarer Acetylenquellen aus der Pyrolyse zur Herstellung von Ethylen zielt die LCC-Plattform darauf ab, die Ressourceneffizienz zu steigern und nachhaltige chemische Prozesse zu unterstützen. Obwohl dies grundlegende Forschung ist, legt sie den Grundstein für zukünftige Anwendungen, die zu umweltfreundlicheren industriellen Prozessen beitragen könnten.

Forschung und Kollaboration

Diese Bemühungen werden in einer Studie beschrieben, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, mit dem Titel "Rationally Designed Laterally-Condensed-Catalysts Deliver Robust Activity and Selectivity for Ethylene Production in Acetylene Hydrogenation." Die Studie ist Teil des CatLab-Projekts, einer Zusammenarbeit, die prominent das Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (FHI), das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und das Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion umfasst. Das CatLab-Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

„Ich bin begeistert von dem Potenzial unserer Forschung, das Katalysatordesign zu verbessern und unser Verständnis von arbeitenden Katalysatoren zu vertiefen, insbesondere von solchen, die für die selektive Ethylenproduktion eingesetzt werden können. Obwohl dies Grundlagenforschung ist, legt sie den Grundstein für zukünftige Anwendungen, die zu umweltfreundlicheren industriellen Prozessen beitragen könnten. Weitere Studien werden notwendig sein, um diese Möglichkeiten zu erkunden", sagte Dr. Katarzyna Skorupska, korrespondierende Autorin und Gruppenleiterin in der Abteilung Anorganische Chemie am Fritz-Haber-Institut.

Prof. Roldan, CatLab-Leitende Forscherin am FHI, weist auf das Potenzial dieses neuartigen Syntheseansatzes hin: „Die Kombination der skalierbaren Technologie der Solarzellenvorbereitung, die vom HZB bereitgestellt wird, mit dem Potenzial, den Stapel von Schnittstellen zu entwerfen, der ein Material in einen dynamisch funktionierenden Katalysator verwandelt, bringt uns einen Schritt näher an ein de-novo-Design von Katalysatoren, inspiriert von der fortschrittlichen Operando-Spektro-Mikroskopie, die am FHI praktiziert wird.“