Es begann mit einer guten Idee von Ive Hermans, Assistenzprofessor am Institut für Chemie- und Bioingenieurwissenschaften: Der Chemiker und seine Mitarbeiter waren auf der Suche nach einer neuen Herstellungsmethode für einen wichtigen Katalysator für die chemische Industrie. Bisher konnte der Katalysator nur in einem sehr komplexen und fehleranfälligen Verfahren im Labor hergestellt werden. Die ETH-Forscher haben nun eine denkbar einfache, aus nur zwei Schritten bestehende Methode entwickelt, die sich darüber hinaus für die grosstechnische Produktion besser eignet.

Bei dem Katalysator handelt es sich um einen Zeolithen, einen pulverförmigen Stoff, dessen Körner porös sind. Wie alle Katalysatoren wird auch dieser Stoff in der Chemie verwendet, um bestimmte Reaktionen zu beschleunigen oder sie in Richtung eines gewünschten Zielproduktes zu lenken. Hermans und seine Mitarbeiter wollten einen Katalysator schaffen, der Oxidations-Reaktionen vereinfacht und beispielsweise bei der Herstellung von sogenannten Lactonen aus Ketonen zum Einsatz kommen kann.

«Neue Methode ist denkbar einfach»

Einen neuen Katalysator in solchen Reaktionen einzusetzen hat viele Vorteile. «Die Herstellung von Lactonen beispielsweise ist ohne Katalysator aufwendig und teuer, weil Säuren als Nebenprodukte entstehen und deren Aufbereitung zusätzliche kostspielige Prozessschritte erfordert», sagt Ive Hermans. Verwendet man hingegen einen Zinn enthaltenden Zeolithen als Katalysator, kann als Oxidationsmittel Wasserstoffperoxid verwendet werden, womit als Nebenprodukt nur Wasser entsteht. Diese Methode war allerdings bisher keine Alternative, weil die Herstellung der speziellen Zeolithe sehr aufwendig war: Die Synthese dauerte 40 Tage. Zudem war das Verfahren schwer kontrollierbar und konnte leicht misslingen.

Die Idee der ETH-Forscher: Statt den Zeolith aufwendig von Grund auf aus Silizium, Aluminium und Zinn herzustellen, verwendeten sie einen kommerziell erhältlichen Zeolithen aus Silizium und Aluminium. Diesen veränderten sie in zwei Schritten zum gewünschten Katalysator. «Zunächst lösten wir die Aluminium-Atome mit einer gängigen Methode aus dem Rohmaterial, ohne dessen kristallines Grundgerüst zu verändern», sagt ETH-Doktorandin Sabrina Conrad. «Anschliessend ersetzten wir die freien Stellen im Gerüst mit Zinn-Atomen, indem wir eine Zinnverbindung hinzufügten und das Ganze während 15 Minuten vermischten.» Wie Tests der Wissenschaftler zeigten, enthalten die mit der neuen Methode hergestellten Zeolithe mehr Zinn als die nach dem bestehenden Verfahren hergestellten Katalysatoren. Sie sind dadurch deutlich ergiebiger.

Umweltfreundliche Herstellungsmethode

Gemeinsam mit einem Industriepartner möchten die ETH-Forscher nun die Herstellungsmethode für grosstechnische Anwendungen optimieren. Beispielsweise könnte der Katalysator in Zukunft verwendet werden, um damit in industriellem Massstab Ausgangsstoffe für die Herstellung wichtiger Kunststoffe zu produzieren. Eine Möglichkeit wäre etwa die Herstellung von Polymilchsäure, die unter anderem in Kunststoffverpackungen und Folien verwendet wird, aus pflanzlichen Ressourcen. «Die Nachfrage nach Kunststoffen aus nachwachsenden Rohstoffen wird stark zunehmen, wenn Erdöl – die heutige Grundlage vieler Kunststoffe – in Zukunft rarer und teurer wird», erklärt Hermans. «Mit unserem Katalysator kann man unter anderem solche Produkte im grossen Stil auf eine viel umweltfreundlichere Weise herstellen.»

Literaturhinweis

Hammond C, Conrad S, Hermans I: Simple and Scalable Preparation of Highly Active Lewis Acidic Sn-beta. Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51: 1-5. DOI: 10.1002/anie.201206193