Platin, Palladium oder Rhodium - ein Herz aus Edelmetall, das ist es, was fast alle Katalysatoren für die chemische Industrie so wirksam macht - und so teuer. Professor Matthias Beller vom Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock sucht nach einer etwas weniger edlen, aber dafür billigeren Alternative.
"Ziel unserer Arbeiten ist aber, eben zu Metallkatalysatoren zu kommen, die kostengünstiger sind, die breiter verfügbar sind. Und dann muss man eben weggehen von den Edelmetallen - Rhodium, Iridium, Palladium - hin zu den natürlichen Metallen, die eben auch in großer Menge in der Natur, zum Beispiel in Form der Enzyme, eingesetzt werden, die vielfältig verfügbar sind. Und das sind Metallverbindungen auf Basis Eisen, Mangan, Kupfer und so weiter."
Besonders das Eisen hat es dem Chemiker angetan. Bestimmte Salze dieses Metalls geben ganz vorzügliche Katalysatoren ab. Zum Beispiel für Oxidationsreaktionen, also die Aufnahme von Sauerstoff. Den liefert in diesem Fall das Bleich- und Desinfektionsmittel Wasserstoffperoxid. Eisensalz und Peroxid, beide zusammen können als dynamisches Duo Abwasser reinigen und selbst hartnäckige Schadstoffe entfernen, indem sie sie einfach so lange oxidieren, bis nur noch harmlose Substanzen übrig sind. Diese starke Oxidationswirkung kann Matthias Beller nun sozusagen zähmen, um Eisenkatalysatoren auch im Syntheselabor zu nutzen, wo sie bisher eher selten anzutreffen sind. Den katalytischen Vorschlaghammer baut er dafür um zu einem Feinmechanikerwerkzeug. Und mit diesem Werkzeug lassen sich viele Ausgangsbausteine für die Chemie herstellen.
"Die wesentliche Basis eben dafür sind heute immer noch die petrochemischen Grundstoffe: Öl, Erdgas, Kohle - zu einem wachsenden Teil auch die nachwachsenden Rohstoffe, aber immer noch überwiegend die petrochemischen Grundstoffe. Und diese petrochemischen Grundstoffe müssen zunächst einmal oxidiert werden, das heißt, es müssen Sauerstoffatome, Stickstoffatome eingeführt werden, und das macht man mit Oxidationsreaktionen."
Eine spezielle Eisenverbindung scheint dafür besonders geeignet: ein Oxid des Eisens, also eine Art von Rost. In Form von winzig kleinen Körnchen entfaltet der Katalysator seine Wirkung, wieder im Verbund mit dem Sauerstofflieferanten Wasserstoffperoxid. Damit steht der Chemie nun ein preiswertes und ungiftiges Werkzeug zur Verfügung, mit dem sich Oxidationsreaktionen beschleunigen lassen. Und außerdem:
"Diese Katalysatoren oder diese neuen Eisenoxide haben einen weiteren Vorteil für die Katalyse: Sie können sehr, sehr einfach wieder verwendet werden. Da sie magnetisch sind, braucht man nach erfolgter chemischer Reaktion nur einen kleinen Magneten an die Glaswandungen halten, und der Katalysator sammelt sich an der Glaswandung, und man kann das gewünschte Produkt einfach abgießen."
Einen Nachteil haben die Eisenkatalysatoren dann aber doch: Sie funktionieren nur mit Wasserstoffperoxid zusammen. Billiger und noch etwas einfacher wäre es, das Oxidationsmittel aus der Luft zu greifen: Sauerstoffgas, das zu gut 20 Prozent in unserer Atmosphäre enthalten ist.
"Mit Eisen gibt es jedenfalls als generelles Verfahren solche Methoden eigentlich noch nicht. Das heißt, da besteht auch weiterhin Forschungsbedarf. Wobei man auch klar sagen muss: Heute ist zum Beispiel Wasserstoffperoxid für die chemische Industrie fast so praktikabel einzusetzen wie Luftsauerstoff."
Und daher könnte einfacher Rost in Zukunft helfen, chemische Reaktionen billiger und umweltfreundlicher zu gestalten.
"Ziel unserer Arbeiten ist aber, eben zu Metallkatalysatoren zu kommen, die kostengünstiger sind, die breiter verfügbar sind. Und dann muss man eben weggehen von den Edelmetallen - Rhodium, Iridium, Palladium - hin zu den natürlichen Metallen, die eben auch in großer Menge in der Natur, zum Beispiel in Form der Enzyme, eingesetzt werden, die vielfältig verfügbar sind. Und das sind Metallverbindungen auf Basis Eisen, Mangan, Kupfer und so weiter."
Besonders das Eisen hat es dem Chemiker angetan. Bestimmte Salze dieses Metalls geben ganz vorzügliche Katalysatoren ab. Zum Beispiel für Oxidationsreaktionen, also die Aufnahme von Sauerstoff. Den liefert in diesem Fall das Bleich- und Desinfektionsmittel Wasserstoffperoxid. Eisensalz und Peroxid, beide zusammen können als dynamisches Duo Abwasser reinigen und selbst hartnäckige Schadstoffe entfernen, indem sie sie einfach so lange oxidieren, bis nur noch harmlose Substanzen übrig sind. Diese starke Oxidationswirkung kann Matthias Beller nun sozusagen zähmen, um Eisenkatalysatoren auch im Syntheselabor zu nutzen, wo sie bisher eher selten anzutreffen sind. Den katalytischen Vorschlaghammer baut er dafür um zu einem Feinmechanikerwerkzeug. Und mit diesem Werkzeug lassen sich viele Ausgangsbausteine für die Chemie herstellen.
"Die wesentliche Basis eben dafür sind heute immer noch die petrochemischen Grundstoffe: Öl, Erdgas, Kohle - zu einem wachsenden Teil auch die nachwachsenden Rohstoffe, aber immer noch überwiegend die petrochemischen Grundstoffe. Und diese petrochemischen Grundstoffe müssen zunächst einmal oxidiert werden, das heißt, es müssen Sauerstoffatome, Stickstoffatome eingeführt werden, und das macht man mit Oxidationsreaktionen."
Eine spezielle Eisenverbindung scheint dafür besonders geeignet: ein Oxid des Eisens, also eine Art von Rost. In Form von winzig kleinen Körnchen entfaltet der Katalysator seine Wirkung, wieder im Verbund mit dem Sauerstofflieferanten Wasserstoffperoxid. Damit steht der Chemie nun ein preiswertes und ungiftiges Werkzeug zur Verfügung, mit dem sich Oxidationsreaktionen beschleunigen lassen. Und außerdem:
"Diese Katalysatoren oder diese neuen Eisenoxide haben einen weiteren Vorteil für die Katalyse: Sie können sehr, sehr einfach wieder verwendet werden. Da sie magnetisch sind, braucht man nach erfolgter chemischer Reaktion nur einen kleinen Magneten an die Glaswandungen halten, und der Katalysator sammelt sich an der Glaswandung, und man kann das gewünschte Produkt einfach abgießen."
Einen Nachteil haben die Eisenkatalysatoren dann aber doch: Sie funktionieren nur mit Wasserstoffperoxid zusammen. Billiger und noch etwas einfacher wäre es, das Oxidationsmittel aus der Luft zu greifen: Sauerstoffgas, das zu gut 20 Prozent in unserer Atmosphäre enthalten ist.
"Mit Eisen gibt es jedenfalls als generelles Verfahren solche Methoden eigentlich noch nicht. Das heißt, da besteht auch weiterhin Forschungsbedarf. Wobei man auch klar sagen muss: Heute ist zum Beispiel Wasserstoffperoxid für die chemische Industrie fast so praktikabel einzusetzen wie Luftsauerstoff."
Und daher könnte einfacher Rost in Zukunft helfen, chemische Reaktionen billiger und umweltfreundlicher zu gestalten.