Können Gold-Palladium-Nanopartikel die Wasserstoffperoxidproduktion revolutionieren?
EU-finanzierte Wissenschaftler haben ein einfacheres, saubereres Verfahren zur Produktion von Wasserstoffperoxid (H2O2) entwickelt, das breite Verwendung als Antiseptikum und Desinfektionsmittel findet. Die Ergebnisse könnten zur Wasserstoffperoxidproduktion in kleineren Mengen und schwächeren Konzentrationen vor Ort führen, sodass die mit dem Transport und der Lagerung von großen Mengen an hoch konzentriertem H2O2 verbundenen Risiken vermieden werden. Die in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Arbeit wurde teilweise durch das Projekt AURICAT ("Catalysis by gold") unterstützt, das durch das Programm "Ausbau des Potenzials an Humanressourcen und Verbesserung der sozioökonomischen Wissensgrundlage" des Fünften Rahmenprogramms (RP5) der EU finanziert wurde. Wasserstoffperoxid ist als starkes Antiseptikum und Desinfektionsmittel eine der meistverwendeten Chemikalien auf der Welt. Die Produktion dieser wichtigen Substanz ist jedoch mit einem energieintensiven Verfahren verbunden, sodass sie aus Gründen der Verfahrenswirtschaftlichkeit in größeren Mengen und höheren Konzentrationen als in den meisten Anwendungen erforderlich hergestellt wird. Deswegen müssen große Mengen der Chemikalie gelagert und transportiert werden, was gefährlich sein kann, wie vor kurzem die Explosion eines mit Wasserstoffperoxid beladenen LKWs auf einer britischen Autobahn gezeigt hat. Da überrascht es nicht, dass Chemiker schon lange nach einer saubereren, einfacheren Methode zur H2O2-Produktion suchen. Palladium hat sich als effektiver Katalysator bei der Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid erwiesen. Doch so schnell, wie H2O2 damit hergestellt wird, bewirkt derselbe Katalysator auch die Zersetzung des Wasserstoffperoxids zu Wasser. In dieser neuesten Studie deckten Forscher aus dem Vereinigten Königreich und den USA auf, dass eine Legierung aus Palladium- und Goldnanopartikeln die Produktion von H2O2 katalysiert, aber dessen Zersetzung zu Wasser "abschaltet". "Wie wir herausfanden, ist für das Palladium wichtig, dass nur eine kleine Menge Gold eingebunden wird", erklärte Professor Christopher Kiely von der Lehigh-Universität in den USA. "Offenbar modifiziert Gold die Elektronenstruktur und damit die katalytische Aktivität des Palladiums." Der Trick besteht den Forschern zufolge in der Ablagerung dieser Nanopartikel auf einem Kohlenstoffträger, der zuerst mit Salpetersäure (HNO3) gewaschen wurde. Die Säurevorbehandlung verringert die Größe der Nanopartikel auf 2 bis 25 Nanometer (ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters). Diese kleineren Partikeln können die Zersetzungsreaktion besser blockieren. Zudem brachte das Waschen des Trägers mit Säure eine bessere Verteilung der Nanopartikel auf dem Träger. "Wir erfuhren, dass weder die Konzentration der Salpetersäure noch die Dauer des Waschvorgangs wichtig war," berichtet Professor Kiely. "Wichtig war jedoch das Waschen des Trägers in Salpetersäure vor dem Aufbringen der Gold-Palladium-Nanopartikel. Durch die sich daraus ergebende Veränderung der Partikelgröße und -verteilung konnten wir wesentlich mehr Wasserstoffperoxid erhalten und das direkte Verfahren wirtschaftlich rentabler machen." Die Forscher glauben, dass ihre Technik nach weiteren Entwicklungen genutzt werden könnte, um "die Erzeugung von H2O2 in Konzentrationen zwischen 3% und 8% zu unterstützen, die in den meisten chemischen Anwendungen benötigt wird". Ganz wichtig ist, dass das Verfahren Nutzern von Wasserstoffperoxid die Produktion der Chemikalie vor Ort in den erforderlichen Mengen ermöglichen könnte, sodass die Notwendigkeit für Lagerung und Transport großer Mengen der Substanz vermeidbar wird. Professor Kiely hat 15 Jahre lang eng mit Graham Hutchings von der Universität Cardiff in Wales an der Nutzung von Goldnanopartikeln als Katalysator zusammengearbeitet. Vor drei Jahren fanden sie heraus, dass Gold-Palladium-Nanopartikel zur umweltfreundlicheren Umwandlung von primären Alkoholen in Aldehyde, einer wichtigen Reaktion für die Gewürz- und Parfümherstellung, genutzt werden können.
Länder
Vereinigtes Königreich, Vereinigte Staaten