Bessere Katalysatoren für eine nachhaltige Bioökonomie

Um aus unserer erdölbasierten Wirtschaft eine nachhaltige Bioökonomie zu machen, müssen wir fossile Ressourcen durch nachwachsende Rohstoffe ersetzen. Erdöl, Ausgangsstoff für zahlreiche Produkte der chemischen Industrie, lässt sich aber nicht einfach gegen Holz, Mais und Stroh austauschen, denn Pflanzen bestehen aus ganz anderen Arten von Molekülen als das schwarze Gold. Um damit Autos anzutreiben sowie eine breite Vielfalt an Kunststoffen oder Medikamenten herstellen zu können, müssen nachwachsende Rohstoffe zunächst chemisch umgewandelt werden. Dabei helfen Katalysatoren, also Substanzen, die chemische Reaktionen antreiben oder oft erst möglich machen.

Äusserst vielversprechende Katalysatoren für diesen Zweck sind Zeolithe, gerüstartige Verbindungen aus Aluminium, Sauerstoff und Silizium. Zeolithe kommen in der Natur vor – beispielsweise als Minerale in Gesteinsformationen – oder werden synthetisch hergestellt. Sie gehören zu den wichtigsten Katalysatoren der chemischen Industrie. Erdölraffinerien setzen sie seit den 1960er-Jahren zum Cracken ein, also um lange Kohlenwasserstoffketten in kürzere zu spalten. Weitere Anwendung finden sie etwa als Inhaltsstoffe von Waschmitteln, bei der Wasserenthärtung und in Wärmespeicherheizungen.

Zeolithe helfen beim Umstieg auf eine Bioökonomie, indem sie es möglich machen, Biomasse zu Molekülen umzuwandeln, welche die Industrie dringend benötigt. Allerdings: «Die Forschung an Zeolithen ist an diesem Punkt in einer Sackgasse angekommen», sagt Vitaly Sushkevich, Wissenschaftler im Labor für Katalyse und nachhaltige Chemie am PSI. Gemeinsam mit Kollegen am PSI und an der ETH Zürich will er die Zeolithforschung aus dieser Sackgasse holen.

Aluminium ist nicht gleich Aluminium

Das Problem: Um Katalysatoren für die Bioökonomie zu entwickeln, basteln Forschende weltweit an Zeolithen, die zusätzlich Zinn-, Titan- oder Zirkon-Atome enthalten. Deren Leistungsfähigkeit lässt sich aber nicht weiter steigern. Das Team um Sushkevich rät daher dazu, sich wieder den klassischen Zeolithen zuzuwenden, die nur aus Silizium, Aluminium und Sauerstoff aufgebaut sind. «Es sind sehr leistungsfähige Katalysatoren», sagt Sushkevich. «Das Besondere ist, dass sie sich modifizieren und für die jeweils benötigten Zwecke anpassen lassen. Sie können sogar mehrere chemische Reaktionen nacheinander katalysieren.» In diesem Fall entsteht praktischerweise aus dem Ausgangsprodukt A über die Zwischenschritte B und C das gewünschte Produkt D.

Wichtiges Element in diesen Zeolithen sind die Aluminiumatome. Ursprünglich sind diese fest in dem Zeolithgerüst verankert. Durch Erhitzen und andere Kniffe lassen sie sich aus diesem Verbund lösen und werden so in die Lage versetzt, Reaktionen zu katalysieren, die für die Bioökonomie wichtig sind.

Der Doktorand Manoj Ravi von der ETH Zürich analysierte die Literatur dazu und fand einige Ungereimtheiten. «Die Art, wie die Aluminiumatome die Reaktionen katalysieren, ist vermutlich sehr viel komplizierter als bisher gedacht», sagt er. Beispielsweise lösen sich nicht alle Aluminiumatome vollständig aus dem Gerüstverband. Stattdessen existieren in einem solchen Zeolith drei unterschiedliche Arten von Aluminiumatomen: solche, die noch im Gerüst festsitzen, solche, die, teilweise losgelöst sind und solche, die vollständig losgelöst sind. «Es ist wichtig, diese drei Arten voneinander zu unterscheiden und nicht in einen Topf zu werfen.»

Verstehen, was passiert

Das PSI synthetisiert auch selbst Zeolithe und analysiert deren Strukturen, etwa mithilfe der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. «Messungen an Grossforschungsanlagen und mit anderen, modernen Techniken helfen dabei, die Struktur der wichtigen aktiven Zentren zu verstehen», sagt Sushkevich. Aktive Zentren sind die Stellen in einem Katalysator, an denen die Reaktion stattfindet.

Diese Vorgehensweise könnte nicht nur beim Einstieg in eine Bioökonomie helfen, sondern auch bei der Verarbeitung von klassischen fossilen Ressourcen, fügt der Chemiker hinzu.

Die Abhandlung wird am 21. September 2020 im Fachblatt Nature Materials veröffentlicht.

Text: Paul Scherrer Institut/Brigitte Osterath

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 400 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL. (Stand 05/2020)