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Indem sie die Aktivierungsenergie chemischer Reaktionen senken, helfen Katalysatoren, Energiekosten zu sparen, etwa beim Herstellen von Kunststoffen, Ammoniak oder Wasserstoff. Allerdings ist das Katalysatormaterial oft teuer. Welche günstigeren Alternativen gibt es?<p>Für die Ammoniaksynthese fand der Chemiker Fritz Haber im Jahr 1904 <link href="#nadc20254140291-fig-0001">einen Osmiumkatalysator. Dieses Metall ist jedoch selten – und noch dazu hochgiftig. So stieg man im Jahr 1911 auf einen Katalysator aus kostengünstigem Eisen um.</p><figure xml:id="nadc20254140291-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/rOv6GuXUTaG2wJqDnxxZ"><figcaption><label>Abb.1: </label>Foto: Michal / Adobe Stock</figcaption></figure></figure><p>Damals ahnte man noch nicht, dass Ammoniak heutzutage Karriere als günstige Transportform von grünem Wasserstoff machen könnte. Schritt eins: Wasserstoff in Ammoniak überführen, Schritt zwei: Ammoniak über lange Strecken transportieren, Schritt drei: aus dem Ammoniak wieder Wasserstoff gewinnen.</p><p>Wird allerdings Schritt drei mit Eisenkatalysatoren durchgeführt, entstehen unerwünschte Nebenprodukte, etwa Eisennitrid statt Stickstoff. Die genaue Analyse des dritten Schritts soll jetzt zu einem vertieften Verständnis der Rolle des Katalysators führen.<sup>1)</sup> Dadurch lassen sich Katalysatoren entwickeln, die sich besser zur Ammoniakspaltung eignen und damit den Wasserstofftransport günstiger machen.</p><h2 type="main">Kobalt-Mangan-Katalysatoren für die Wasserelektrolyse</h2><p>Grünen Wasserstoff durch Elektrolyse aus Wasser herzustellen braucht bisher teure Edelmetallkatalysatoren, meist aus der Platingruppe.</p><p>Forschende beschäftigen sich daher derzeit mit Kobalt-Mangan-Katalysatoren als Alternative.<sup>2)</sup> Diese erwiesen sich bereits als genauso effektiv wie herkömmliche Katalysatoren und langzeitstabil. Warum funktioniert die Wasserelektrolyse mit ihnen so gut? Offenbar ist Mangan die entscheidende Komponente: Liegt es in einer Spinell-Geometrie im Kristallgitter des Kobaltkatalysators vor, lagert es sich während des elektrischen Spaltens der Wassermoleküle aus dem Spinellgitter aus und danach wieder in seine Gitterposition ein.</p><h2 type="main">Aluminium und Titan für die Polyethylensynthese</h2><p>Ähnlich wie bei Fritz Habers Ammoniaksynthese siegte auch bei den Ziegler-Natta-Katalysatoren ein kostengünstiger Kandidat: Die Polymerisation von Ethylen zu längeren α-Olefinen gelang im Jahr 1953 zuerst mit dem seltenen und teuren Lithiumhydrid. In den darauffolgenden Jahren erwies sich das leicht verfügbare und günstige Aluminiumhydrid als noch besser geeignet für die Polyethylensynthese unter Normaldruck und bei Raumtemperatur. Für diese Entdeckungen erhielten Karl Ziegler und Giulio Natta im Jahr 1963 den Nobelpreis für Chemie.</p><p>Es folgten Experimente mit Übergangsmetallen der vierten, fünften und sechsten Gruppe des Periodensystems sowie mit Thorium und Uran. Sie zeigten, dass sich aus Titanverbindungen die effizientesten Polymerisationskatalysatoren herstellen lassen. Heute bestehen Ziegler-Natta-Katalysatoren meist aus zwei Komponenten: typischerweise aus Titan(III)chlorid und Diethylaluminiumchlorid als Co-Katalysator oder Titan(IV)chlorid und Triethylaluminium.</p><h2 type="main">Neue Formen ermöglichen günstigere Katalysatoren</h2><p>Polypropylen wird unter anderem aus Propan hergestellt. Gewinnen lässt sich dieses aus Schiefergas. Mit einem neuen verschachtelten Hohlfasermembrankatalysator mit metalloxidbeschichteter Innenwand polymerisiert es zu Polypropylen.</p><p>In den äußeren Hohlfasermembranrohren des Katalysators wird Propan aus dem Schiefergas abgetrennt. Anschließend gelangt es in das innerste Rohr und wird dort katalytisch zu Propylen und Wasserstoffgas umgesetzt. Das Propylen bleibt am Reaktionsort zurück, während der Wasserstoff durch die Membranporen in äußere Katalysatorrohre entweicht. Dort wird er verbrannt und erzeugt so die nötige Prozesswärme – ein preis- und thermisch günstiges Verfahren, um Propylen als Ausgangsstoff für die Polypropylensynthese zu gewinnen.</p><h2 type="main">Übergangsmetalle für Abgaskatalysatoren</h2><p>Seit dem Jahr 1985 reinigen in Deutschland Dreiwegekatalysatoren die Abgase von Ottomotoren, etwa in Autos. Ein Fahrzeugkatalysator besteht im Inneren aus einem temperaturstabilen keramischen Wabenkörper. Dieser ist mit porösem Aluminiumoxid zur Oberflächenvergrößerung belegt – das nennt man Washcoat. In diesem sind katalytisch aktive Substanzen eingelagert, oft Palladium, Platin oder Rhodium. Allerdings sind diese selten und teuer, sodass Forschende nach alternativen Stoffen suchen, um Stickoxide (NO<sub>x</sub>) zu reduzieren und Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoffdioxid und Wasser zu oxidieren.</p><p>Bei Dieselmotoren ist die Abgasreinigung komplizierter, denn im Abgas ist aufgrund unvollständiger Verbrennung viel Sauerstoff. Stickoxide lassen sich unter diesen Bedingungen mit einer genormten wässrigen Harnstofflösung, die vor Durchlaufen des Katalysators in den Abgasstrom eingeleitet wird, selektiv katalytisch zu Stickstoff und Wasser reduzieren.</p><p>Ob Ottomotor oder Diesel – ein Trend zeichnet sich ab: Abgaskatalysatoren lassen sich zunehmend auch mit leicht verfügbaren und günstigen Übergangsmetallen der vierten und fünften Periode realisieren – das macht Platingruppenelemente vielfach überflüssig.</p><h2 type="main">Säure verlängert die Lebensdauer</h2><p>Eine weitere wichtige Aufgabe bei Verbrennermotoren: Schwefelverbindungen entfernen. Denn die sind in fossilen Kraftstoffe naturgemäß in rauen Mengen enthalten. Mit Wasserstoff und Mischmetallkatalysatoren lassen sie sich unter Druck in Hydrotreating-Verfahren entfernen. Anschließend liefern Destillations- und Fertigungsprozesse Kraftstoffe, die sich für Verbrennermotoren eignen.</p><p>Allerdings vergiften Schwefelverbindungen die herkömmlichen Mischmetallkatalysatoren und reduzieren deren Standzeit – also die Dauer, für die der Katalysator funktionstüchtig bleibt. Ein neues Verfahren verwendet Mischmetallkatalysatoren aus Nickel-Molybdän-Sulfiden, die anschließend mit Salzsäure behandelt werden. Die gereinigten Katalysatoren enthalten weniger Nickelsulfide und haben mehr aktive Zentren als die nicht säurebehandelten. Dadurch lassen sich die Katalysatoren länger verwenden und somit wirtschaftlich produzieren.</p><p>Mit Salzsäure zu behandeln könnte auch ermöglichen, Mischmetallkatalysatoren etwa in Wasserstoff-Brennstoffzellen oder bei der Wasserelektrolyse einzusetzen.</p><h2 type="main">Kommunikative Eisenkatalysatoren</h2><p>Neue kostengünstige Katalysatoren zu suchen kann teuer werden. Denn oft dient dazu das Trial-and-Error-Verfahren. Deswegen ist es wichtig, die atomaren Vorgänge an Katalysatoren zu verstehen. Dazu ein weiteres Beispiel aus der Abgasreinigung:</p><p>Um aus industriellen Abgasen giftige Stickoxide zu entfernen, lassen sich Eisenkatalysatoren in Zeolithe, also mikroporöse Alumosilikat-Gerüste, einbetten. Die Katalysatoren sitzen in nanometergroßen Poren im Inneren der Käfigmoleküle. Benachbarte Eisenatome kommunizieren miteinander und wirken so als Katalysatoren. Das eine Eisenatom reduziert Stickstoffmonoxid (NO), während das benachbarte Eisenatom Distickstoffmonoxid (N<sub>2</sub>O) umwandelt. Der genaue Katalysemechanismus ist bekannt, die Katalysatoren darauf basierend zu optimieren also möglich. Weil Zeolithe leicht verfügbar und günstig sind, könnten sie großtechnische und ökonomische Verfahren in der chemischen Industrie ermöglichen, um neue Katalysatoren zu erforschen und herzustellen.</p><p>Der promovierte Chemiker Christian Ehrensberger ist freier Mitarbeiter der Nachrichten aus der Chemie.</p><ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20254140291-bibl-0001"><li xml:id="nadc20254140291-bib-0001"><sup>1 </sup> M. Purcel et al., ACS Catal 2024, 18, 13947, doi: <accessionid ref="info:doi/10.1021/acscatal.4c04415">10.1021/acscatal.4c04415</accessionid></li><li xml:id="nadc20254140291-bib-0002"><sup>2 </sup> B. He et al., Adv. Energy Mater. 2024, 2403096, doi: <accessionid ref="info:doi/10.1002/aenm.202403096">10.1002/aenm.202403096</accessionid></li></ul>

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Brandbeständige Materialien machen Elektrofahrzeug-Batterien sicherer. Der Meyer-Galow-Preis für Wirtschaftschemie würdigt diese Erfindung.<p>Lithium-Ionen-Batterien können überhitzen und so die Betriebssicherheit von Elektrofahrzeugen gefährden. Ruth Bieringer, Vice President Material Technologies bei Freudenberg, und ihr Team haben hitze- und flammbeständige Materialien für solche Batterien entwickelt. Dafür erhielt Bieringer im Jahr 2024 den Meyer-Galow-Preis für Wirtschaftschemie (S. 70).</p><p>Durch Spritzguss-Verfahren stellen die Forschenden von Freudenberg temperaturbeständige Kunststoffbauteile für Batterien her. Diese fangen auch bei Temperaturen von bis zu 1200 °C kein Feuer und schmelzen nicht.</p><p>Zudem hat das Team eine Flammschutzbarriere entwickelt. Dafür nutzten die Forschenden Silikonkautschuk, den sie durch zugesetzte Füll- und Verstärkungsstoffe hitzebeständiger machten. Dieser hält Temperaturen von bis zu 1200 °C mindestens zehn Minuten lang stand und verhindert so, dass sich Flammen sowie Gase weiter ausbreiten. ME</p><ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20254147951-bibl-0001"><li xml:id="nadc20254147951-bib-0001"><sup>1 </sup> Zur GDCh-Pressemeldung: <a href="https://t1p.de/nsdyh" target="_blank">t1p.de/nsdyh</a></li></ul>

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