Die Natur inspiriert zum Durchbruch: gefahrlose Produktion von Fluorchemikalien
Zum ersten Mal haben Chemiker Fluorchemikalien - die für viele Industriezweige von entscheidender Bedeutung sind - ohne den Einsatz von gefährlichem Fluorwasserstoffgas hergestellt
Ein Team von Chemikern hat eine völlig neue Methode zur Herstellung von wichtigen Fluorchemikalien entwickelt, die das gefährliche Produkt Fluorwasserstoffgas (HF) umgeht. Die in der Fachzeitschrift "Science" veröffentlichten Ergebnisse könnten einen immensen Beitrag zur Verbesserung der Sicherheit und der CO2-Bilanz einer weltweit wachsenden Industrie leisten.
Eine künstlerische Darstellung des Kugelmahlverfahrens, das der neu entwickelten Methode zur Erzeugung von Fluorchemikalien zugrunde liegt.
Calum Patel
Mit Hilfe von Hochpräzisionstechniken wie der Röntgenbeugung konnten die Forscher wichtige Erkenntnisse über die Zusammensetzung von Fluoromix und die Strukturen der fluorierenden Spezies gewinnen. Das Diagramm zeigt die Strukturen der kristallinen Bestandteile von Fluoromix, die als Fluorierungsreagenzien dienen.
Prof. Michael Hayward
Fluorchemikalien sind eine Gruppe von Chemikalien, die eine breite Palette wichtiger Anwendungen haben - darunter Polymere, Agrochemikalien, Arzneimittel und die Lithium-Ionen-Batterien in Smartphones und Elektroautos - mit einem Weltmarkt von 21,4 Milliarden US-Dollar im Jahr 2018. Derzeit werden alle Fluorchemikalien in einem sehr energieintensiven Prozess aus dem giftigen und korrosiven Gas Fluorwasserstoff (HF) hergestellt. Trotz strenger Sicherheitsvorschriften ist es in den letzten Jahrzehnten immer wieder zu HF-Austritten gekommen, manchmal mit tödlichen Unfällen und schädlichen Umweltauswirkungen.
Um einen sichereren Ansatz zu entwickeln, ließ sich ein Team von Chemikern der Universität Oxford zusammen mit Kollegen des Oxford-Spin-Outs FluoRok, des University College London und der Colorado State University von dem natürlichen Biomineralisierungsprozess inspirieren, der Zähne und Knochen bildet. Normalerweise wird HF selbst durch die Reaktion eines kristallinen Minerals namens Flussspat (CaF2) mit Schwefelsäure unter harten Bedingungen hergestellt, bevor es zur Herstellung von Fluorchemikalien verwendet wird. Bei der neuen Methode werden Fluorchemikalien direkt aus CaF2 hergestellt, wobei die Herstellung von HF vollständig umgangen wird: eine Errungenschaft, die Chemiker seit Jahrzehnten angestrebt haben.
Bei der neuen Methode wird CaF2 im festen Zustand durch einen von der Biomineralisierung inspirierten Prozess aktiviert, der die biologische Bildung von Kalziumphosphatmineralien in Zähnen und Knochen nachahmt. Das Team mahlte CaF2 mit pulverisiertem Kaliumphosphatsalz mehrere Stunden lang in einer Kugelmühle, wobei ein mechanisch-chemischer Prozess angewandt wurde, der sich aus der traditionellen Art und Weise entwickelt hat, wie wir Gewürze mit einem Mörser und Stößel mahlen.
Das daraus resultierende pulverförmige Produkt, Fluoromix genannt, ermöglichte die Synthese von über 50 verschiedenen Fluorchemikalien direkt aus CaF2 mit einer Ausbeute von bis zu 98 %. Die entwickelte Methode hat das Potenzial, die derzeitige Lieferkette zu straffen und den Energiebedarf zu senken, was dazu beiträgt, künftige Nachhaltigkeitsziele zu erreichen und den CO2-Fußabdruck der Industrie zu verringern.
Interessanterweise war das entwickelte Festkörperverfahren bei Flussspat in Säurequalität (> 97 %, CaF2) genauso effektiv wie bei CaF2 in synthetischer Reagenzienqualität. Das Verfahren stellt einen Paradigmenwechsel für die Herstellung von Fluorchemikalien auf der ganzen Welt dar und hat zur Gründung von FluoRok geführt, einem Spin-out-Unternehmen, das sich auf die Kommerzialisierung dieser Technologie und die Entwicklung sicherer, nachhaltiger und kostengünstiger Fluorierungen konzentriert. Die Forscher hoffen, dass diese Studie Wissenschaftler auf der ganzen Welt dazu ermutigen wird, bahnbrechende Lösungen für schwierige chemische Probleme zu finden, die einen gesellschaftlichen Nutzen versprechen.
Calum Patel vom Fachbereich Chemie der Universität Oxford und einer der Hauptautoren der Studie sagt: "Die mechanochemische Aktivierung von CaF2 mit einem Phosphatsalz war eine aufregende Erfindung, da dieser scheinbar einfache Prozess eine hocheffektive Lösung für ein komplexes Problem darstellt; allerdings blieben große Fragen über die Funktionsweise dieser Reaktion offen. Die Zusammenarbeit war der Schlüssel zur Beantwortung dieser Fragen und zur Förderung unseres Verständnisses dieses neuen, unerforschten Bereichs der Fluorchemie. Erfolgreiche Lösungen für große Herausforderungen beruhen auf multidisziplinären Ansätzen und Fachkenntnissen, und ich denke, diese Arbeit zeigt, wie wichtig das ist.
Die Hauptautorin Professor Véronique Gouverneur FRS vom Fachbereich Chemie der Universität Oxford, die diese Studie konzipiert und geleitet hat, sagt: "Die direkte Verwendung von CaF2 für die Fluorierung ist ein heiliger Gral in diesem Bereich, und es wird seit Jahrzehnten nach einer Lösung für dieses Problem gesucht. Der Übergang zu nachhaltigen Methoden für die Herstellung von Chemikalien mit geringeren oder gar keinen schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt ist heute ein hochrangiges Ziel, das mit ehrgeizigen Programmen und einem völligen Umdenken bei den derzeitigen Herstellungsverfahren beschleunigt werden kann. Diese Studie stellt einen wichtigen Schritt in diese Richtung dar, da die in Oxford entwickelte Methode das Potenzial hat, überall im akademischen Bereich und in der Industrie eingesetzt zu werden, die Kohlenstoffemissionen z.B. durch Verkürzung der Lieferketten zu minimieren und angesichts der Fragilität der globalen Lieferketten eine höhere Zuverlässigkeit zu bieten.
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