Entdeckung eines neuen katalytischen Promotors, der mit jahrzehntelangen Studien vergleichbar ist
Entwickelt in wenigen Wochen und mit weniger als 100 durchgeführten Experimenten
Die Bekämpfung des Klimawandels erfordert ein Umdenken bei etablierten chemischen Prozessen in einer Zeitskala von Jahren nicht etwa Jahrzehnten, wie es bei traditionellen F&E-Zyklen der Fall ist. In Zusammenarbeit mit BasCat (UniCat BASF JointLab) hat ein Team von Forscher*innen aus der Theorieabteilung am Fritz-Haber-Institut einen beschleunigten Entdeckungsansatz entwickelt, um eine vielversprechende katalytische Promotorformulierung für die Umwandlung von Propan in die Basischemikalie Propylen zu identifizieren. Entwickelt in wenigen Wochen und mit weniger als 100 durchgeführten Experimenten, steht der neu geförderte Katalysator jenen gegenüber, die durch jahrzehntelange Forschung entwickelt wurden. Die Ergebnisse, veröffentlicht in ACS Catalysis, heben nicht nur den Erfolg der Partnerschaft hervor, sondern eröffnen auch Wege für eine effizientere und sachkundigere Entwicklung von Multi-Promotor-Formulierungen.
© Dr. Frederik Rüther - BasCat (UniCat BASF JointLab)
Katalyse spielt eine entscheidende Rolle in der chemischen Industrie und beeinflusst mehrere Aspekte des täglichen Lebens, wie die Produktion von Kunststoffen, die Entwicklung von Medikamenten und die Herstellung von Kraftstoffen und Düngemitteln. Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen und verbessern ihre Selektivität zu gewünschten Produkten, während sie den Energieverbrauch und Abfall reduzieren. Obwohl die Leistung und Langlebigkeit von Katalysatoren durch die Verwendung von Promotoren weiter gesteigert werden kann, sind deren Identifizierung und Optimierung oft mühsam, zeitaufwendig und kostspielig.
Die Zusammenarbeit des Fritz-Haber-Instituts mit BasCat konzentriert sich auf die Grundlagenforschung im Bereich der heterogenen Katalyse und insbesondere auf die katalytische Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in wertsteigernde Produkte. Die ersten Ergebnisse dieser fruchtbaren Zusammenarbeit wurden kürzlich in ACS Catalysis veröffentlicht. Darin schlug das Forschungsteam einen beschleunigten Entdeckungsansatz vor, der einen Multi-Promotor-Designraum mit nur einer begrenzten Anzahl von Experimenten erkundet, basierend auf einer effizienten adaptiven Design-of-Experiment (DoE)-Experimentplanung und einer Durchsatzmaximierung durch parallelisiertes Testen. Der Designraum umfasste etwa 20000 mögliche Promotorkombinationen für die nicht-oxidative Propan-Dehydrierung zu Propylen unter Verwendung von Platin auf Aluminium als Katalysator. Eine erschöpfende experimentelle Testung hätte Jahre der Forschung erfordert. Stattdessen gelang es ihnen, mit weniger als 100 Experimenten in wenigen Wochen eine vielversprechende neue Promotorformulierung zu finden. Derzeit ist Propylen ein entscheidender Ausgangsstoff für die Polymerproduktion, und es wird erwartet, dass der Bedarf bis 2030 auf 200 Megatonnen ansteigen wird. Bestehende Crackprozesse reichen leider nicht aus, um diese erwartete Nachfrage zu decken, und neuere kommerziell angewandte Prozesse weisen immer noch Grenzen auf, die eine hohe Produktausbeute zu verwehren.
Die Entdeckung neuer Kombinationen von Hochleistungs-Multipromotoren und ein tieferes Verständnis der chemischen Mechanismen, die hinter ihren fördernden Wirkungen stehen, werden daher als entscheidende Elemente angesehen.
Die Ergebnisse bieten nicht nur Einblicke in effizientere und fundiertere Methoden zur Herstellung von Multi-Promoter-Formulierungen, sondern sind auch ein Beleg für die erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen der Theorieabteilung unseres Instituts und BasCat.
Originalveröffentlichung
Christian Kunkel, Frederik Rüther, Frederic Felsen, Charles W. P. Pare, Aybike Terzi, Robert Baumgarten, Esteban Gioria, Raoul Naumann d’Alnoncourt, Christoph Scheurer, Frank Rosowski, Karsten Reuter; "Systematic Exploration of a Multi-Promoter Catalyst Composition Space with Limited Experiments: Non-Oxidative Propane Dehydrogenation to Propylene"; ACS Catalysis, 2024-5-29
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