Neuartiges Verfahren verlängert den Lebenszyklus wertvoller Katalysatoren

Elektrochemischer Ansatz bietet eine Lösung für das jahrzehntelange Problem des Recyclings homogener Katalysatoren

25.10.2022 - USA

Stellen Sie sich eine typische Recyclinganlage vor. Nun stellen Sie sich vor, dass die Anlage ein Chemielabor ist und die zerkleinerten Getränkedosen und hüfthohen Stapel von Junk-Post durch mikroskopische Strukturen ersetzt wurden, die pro Gramm Zehntausende von Dollar wert sind.

Ein Forscherteam der University of Illinois Urbana-Champaign hat eine elektrochemische Technik für das Recycling äußerst wertvoller homogener Katalysatoren entwickelt, um die chemische Industrie umweltfreundlicher, kostengünstiger und innovativer zu machen.

Homogene Katalysatoren sind leistungsstarke Werkzeuge, die in der chemischen und pharmazeutischen Produktion häufig eingesetzt werden.

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"Was [homogene Katalysatoren] so unglaublich wertvoll macht, ist ihre einzigartige Fähigkeit, große Mengen an Chemikalien und Rohstoffen mit hohem Mehrwert zu produzieren", sagte Xiao Su, Assistenzprofessor für Chemie- und Biomolekulartechnik, Forscher am Beckman Institute for Advanced Science and Technology und leitender Forscher der Studie.

Die Fähigkeit, homogene Katalysatoren zu recyceln, ohne ihre chemische Aktivität zu zerstören, ist für Chemiker und Chemieingenieure seit Jahrzehnten eine Herausforderung.

Da diese Katalysatoren in der Regel aus Metallen der Platingruppe bestehen, müssen sie häufig abgebaut werden, um sie weiter zu verwenden. Da diese Metalle der Platingruppe knapp sind, sollte ihre Verwendung sparsam erfolgen, so Su.

Während chemischer Reaktionen landen homogene Katalysatoren oft in komplexen chemischen Mischungen und sind nur schwer von anderen Komponenten zu trennen. Die wenigen existierenden Methoden für das Recycling von Katalysatoren sind energieintensiv, und da sie auf Wärme angewiesen sind, neigen sie dazu, die Katalysatorstruktur selbst zu zerstören und gleichzeitig einen großen Kohlenstoff-Fußabdruck zu hinterlassen.

"Derzeit recyceln viele Branchen homogene Katalysatoren aufgrund der Kosten und der Komplexität des Prozesses überhaupt nicht; sie werfen sie einfach weg und leben mit den Kosten", so Su. "Wenn der Katalysator doch recycelt wird, kann der Prozess sehr teuer und ineffizient sein, und die Katalysatorstruktur wird oft zerstört. Im Allgemeinen liegt die Last auf der Seite des Bergbaus, denn es besteht ein ständiger Bedarf an diesen Platinmetallen".

Die Kosten für den kontinuierlichen Abbau gehen zu Lasten der Hersteller, der Endverbraucher und der Umwelt, da mehr Abfall produziert wird.

Bei der von den Forschern vorgeschlagenen Recyclingmethode, die in Science Advances veröffentlicht wurde, wird ein elektrisches Feld auf eine speziell zugeschnittene Oberfläche, eine so genannte Redox-Elektrode, angelegt. Die Katalysatoren trennen sich von dem chemischen Gemisch, in dem sie sich befinden, und binden sich unter dem elektrischen Feld an die Oberfläche, wodurch sie aus der Reaktion, in der sie sich befinden, herausgelöst und recycelt werden können. Um den Katalysator wiederzuverwenden, kann ein Chemiker das entgegengesetzte elektrische Feld an die Oberfläche der Redox-Elektrode anlegen, um den Katalysator in eine neue Lösung freizusetzen.

Mit dem elektrischen Verfahren können die Katalysatoren für viele Zyklen wiederverwendet werden.

"Das Tolle an unserer Recyclingmethode ist, dass sie rein elektrisch betrieben wird", so Su. "Es ist ein Schritt in Richtung eines nachhaltigeren Herstellungsprozesses, bei dem Elektrizität anstelle von Wärme die Dinge antreibt.

Der Übergang von fossilen Energieträgern zu erneuerbaren Energien für den Betrieb eines solchen Recyclingsystems unterstützt die Vision der Chemieingenieure von der Elektrifizierung.

"Wir sind begeistert, dass diese elektrochemischen Anwendungen die Herausforderungen in der chemischen Produktion angehen", sagte Su. "Letztendlich würden wir gerne einen völlig abfallfreien, hoch energieeffizienten chemischen Herstellungsprozess sehen.

Die Möglichkeit, Katalysatoren zu recyceln, kommt nicht nur der Umwelt zugute, sondern fördert auch die Innovation. Zwar gibt es mehrere homogene Katalysatoren, doch da sie derzeit nicht effektiv recycelt werden können, sind sie sehr teuer, was ihren weit verbreiteten industriellen Einsatz einschränkt.

"Was wir jetzt tun, ist, diese sehr leistungsfähigen Katalysatoren für wichtige Reaktionen praktikabel und billig zu machen", sagte Su. "Wenn wir in der Lage sind, diese einfache Methode zur Rückgewinnung von Katalysatoren anzuwenden, kann unsere Technologie neue Reaktionen ermöglichen, die sonst zu kostspielig sind. So können wir hoffentlich neue, umweltfreundlichere Wege zur Herstellung von Dingen eröffnen, die heute noch gar nicht möglich sind."

Bislang haben die Forscher der Universität ihr Recyclingverfahren an ausgewählten Katalysatoren aus Platingruppenmetallen demonstriert. Der nächste Schritt ist die Anwendung der Methode auf breitere Klassen von Platingruppenmetallen sowie auf andere Katalysatoren aus Übergangsgruppen.

"Als Chemieingenieure drängen wir weiterhin auf Energieeffizienz, einen geringeren Kohlenstoff-Fußabdruck und nachhaltige chemische Prozesse, und dies ist ein Schritt in Richtung dieses Ziels", sagte Su.

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