Nachhaltigkeit industrieller Katalysatoren verbessern
Weltweit werden die meisten auf Kohlenstoff basierenden Materialien sowie auch Energie durch die oxidative Umwandlung der Alkane aus dem Erdöl oder Erdgas erzeugt. Die hohe Festigkeit der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung (CH) in den Alkanen erfordert jedoch extreme Temperaturen, die letztlich zu niedrigen Wirkungsgraden und hohen Emissionen führen. Katalysatoren, die unter umweltfreundlichen Bedingungen noch besser und zu erschwinglichen Kosten funktionieren, könnten starke Auswirkungen auf die Industrie haben. Übergangsmetallkomplexe können auf eine ähnliche Weise wie Enzyme agieren. Wissenschaftler initiierten deshalb das EU-finanzierte Projekt OXALKANES ("Development of sustainable selective catalytic oxidation of alkanes"), um deren Nutzung zu erforschen. Die Forscher entwickelten Übergangsmetallkomplexe aus Übergangsmetallen der 4. Periode des Periodensystems der Elemente (z. B. Eisen, Kobalt, Kupfer). Sie setzten diese als selektive homogene und heterogene Katalysatoren bei CH-Aktivierungsreaktionen bei Raumtemperatur mit durch umweltfreundliches Wasserstoffperoxid zugeführten Sauerstoff ein. Die Ausbeute wurde durch unterstützende Mikrowellen erhöht. Die Cyclohexan-Oxidation ergab Cyclohexanon und Cyclohexanol mit höheren Ausbeuten als sie mit herkömmlichen Katalysatoren zu erreichen sind und das unter milden und nachhaltigen Bedingungen. Die Hauptprodukte wurden als Vorstufen der Synthese von hochwertigen Produkten wie Nylon-6 verwendet. Diese Komponente wird auf vielfältige Weise eingesetzt, etwa für industrielle Garne, Textilien und Kunststofffolien in Lebensmittel- und Energieunternehmen. Die Oxidation von Benzol ergibt als Hauptprodukt Phenol, einen wichtigen Synthesevermittler bei Petrochemikalien, Agrochemikalien und Kunststoffen. Die direkte Oxidation von Benzol zu Phenol leidet im Allgemeinen unter geringen Ausbeuten und/oder einer schlechten Selektivität des Katalysators. Die OXALKANES-Wissenschaftler konnten mit ihren homogenen und heterogenen Katalysatoren eine höhere Selektivität als bei konventionellen Katalysatoren und Ausbeuten demonstrieren, die gleich den in der Literatur beschriebenen Werten oder besser als diese waren. Im Ganzen ermöglichten die Übergangsmetallkomplexe à la OXALKANES die Oxidation von Alkanen unter milden und nachhaltigen Bedingungen, und das bei vergleichbaren oder höheren Ausbeuten als mit herkömmlichen Katalysatoren und Verfahren. Sie werden erwartungsgemäß durch die gesteigerte Nachhaltigkeit bei verringerter Umweltbelastung einen wichtigen Beitrag zu zahlreichen industriell relevanten Oxidationsprozessen leisten.
