Der Weg zu großporigen Katalysatoren
Jeder, der schon einmal Chemieunterricht gehabt hat - oder auch nur ein wenig in der Küche versucht hat -, weiß, dass viele Reaktionen durch Erhitzen oder Rühren beschleunigt werden. Um die Reaktionen für die Produktion von Chemikalien allerdings in einem industriell relevanten Maßstab zu erhöhen, braucht man typischerweise Katalysatoren. Umweltfreundliche mikroporöse Zeolithmaterialien haben in der chemischen Synthese härtere Katalysatoren zunehmend verdrängt, insbesondere im Bereich der Petrochemikalien. Ihre Synthese erfordert in der Regel den Zusatz von strukturdirigierenden Agenzien (SDA), um die Kristallisation zu lenken. Die chemische Verarbeitung der größeren molekularen Substrate für die Feinchemie und Pharmaindustrie setzt verstärkt auf besonders großporige Katalysatoren, aber die Erhöhung der Porengröße von Zeolithmaterialien stellt eine Herausforderung dar. Im Rahmen des EU-geförderten Projekts NEWSDASFORALPOS (Use of newly designed organic molecules as large and efficient structure directing agents for the synthesis of microporous aluminophosphates) suchten Wissenschaftler nach einer Lösung für dieses Problem. Der Kern des Problems war die Erhöhung der Größe der SDA, um die Porengröße zu erhöhen, weil die SDA-Effizienz bei der Steuerung der Gerüstbildung bei größeren Molekülen zunimmt. Das Team kombinierte zwei wichtige Möglichkeiten: mikroporöse Alumophosphate (AlPO) als eine vielversprechende Alternative zu Zeolithen aufgrund ihrer hydrophilen Natur sowie die Verwendung von supramolekularer Chemie, um die Selbstmontage von großen hydrophilen SDA zu ermöglichen. Hydrophile Wechselwirkungen zwischen SDA und AlPO können die Effizienz der Steuerung der Gerüstbildung verbessern. Hydrophile SDA können auch mit Wassermolekülen selbst interagieren und so Aggregate bilden, die noch größere Poren erzeugen können. Daher zielten die Forscher auf die Entwicklung großer, hydrophiler SDA, die für AlPO-Gerüste spezifisch sind. Aromatische Amine können sich über intermolekulare Wechselwirkungen zwischen den Ringen selbst zu multimolekularen Aggregaten organisieren, was einen Weg zur Erhöhung der SDA-Größe bietet. Mehrere SDA wurden synthetisiert und getestet, was zu verschiedenen Gerüststrukturen führte. Erstmals konnte ein Gerüst auf Basis einer sehr starken supramolekularen Selbstorganisation beobachtet werden. Die Wissenschaftler identifizierten chemische Faktoren, die die supramolekulare Chemie von aromatischen Aminen steuern und untersuchten die Art und Weise, wie die Chemie die strukturbestimmende Aktivität der von ihnen gebildeten SDA regelt. Das Team von NEWSDASFORALPOS hat damit den Weg zum rationalen Design neuer und effizienter selbstorganisierender SDA für AlPO-Katalysatoren geebnet und so ihre beschleunigte Entwicklung möglich gemacht.
Schlüsselbegriffe
Katalysatoren, mikroporös, Zeolith, strukturdirigierenden Agenzien, mikroporöse Alumophosphate
