Die Chemie nutzt natürliche Vorbilder

Von Rüdiger Schwerthöffer

Als der Chemiker Humphry Davy 1812 nach einer verheerenden Grubenexplosion in England eine Sicherheitslampe für die Arbeit unter Tage erfand, ahnte er nicht, zu welch wichtigem Gebiet er die Tür aufstieß. Er hatte bei seinen Versuchen festgestellt, daß die Oberfläche eines Platindrahtes die Verbrennung von Kohlegas mit Luft unterhält: Davy war auf die kontrollierte katalytische Oxidation gestoßen. Die findet jetzt in mehr als 200 Millionen Katalysatorautos statt. Um das Ausmaß an umweltschädigenden Stickoxiden zu reduzieren, werden die Auspuffgase durch einen Keramik-Katalysator geleitet, an dessen platinbeschichteter Oberfläche sie zum größten Teil in harmlosen Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid umgewandelt werden, gewissermaßen durch eine „Nachverbrennung“. Das nützt nicht nur der Umwelt, sondern ist obendrein noch ein gutes Geschäft für die Katalysatorindustrie.

Was sind Katalysatoren überhaupt, was macht sie so unentbehrlich? In der Theorie bezeichnet man sie vereinfacht als Stoffe, die einen beschleunigten Ablauf chemischer Umwandlungen (Reaktionen) ermöglichen, selbst aber unverändert daraus hervorgehen. In der Praxis beschleunigen sie chemische Umsetzungen nicht nur um das Millionenfache, sondern sorgen obendrein dafür, wenn mehrere verschiedene Reaktionswege offenstehen, daß in der Regel einer dieser Wege stark bevorzugt wird. So kann etwa Propylengas mit Sauerstoff ganz einfach verbrennen. Doch steuert man diesen Vorgang katalytisch, dann entstehen nicht mehr wertlose Verbrennungsgase, sondern, je nach Wahl des eingesetzten Metalloxid-Katalysators, entweder Aceton, Essigsäure oder Benzol, wichtige Rohstoffe also.

Gut dreiviertel aller industriellen Produkte werden heute bereits unter Verwendung von Katalysatoren hergestellt, bei neueren chemischen Verbindungen sind es sogar neunzig Prozent. Keine Forschergruppe ist derzeit so heiß umworben wie die Katalyseexperten. Sie werden von einer – in diesem Bereich stark expandierenden – Industrie verhätschelt und im Erfolgsfall überaus großzügig entlohnt. In keinem anderen Chemiesektor gibt es vermutlich so viele ertragreiche Patente, aber auch Fehlschläge, wie in der Katalysatorforschung.

Jeder neue Syntheseerfolg mittels Katalysator wird von kompetenten Spähern bezüglich seiner Eignung für industrielle Großverfahren unter die Lupe genommen. „Mit den Füßen in der Vergangenheit, mit dem Kopf in der Zukunft“, beschreibt einer von ihnen das gleichzeitige Festhalten an traditionellen Großsyntheseverfahren und die rastlose Suche nach neuen, geeigneten Beschleunigern. Auch deutsche Firmen sind bei der Entwicklung, Optimierung und Vermarktung von Katalysatoren auf dem Weltmarkt überaus erfolgreich. Nichts unterstreicht die volkswirtschaftliche Bedeutung der Katalysatoren deutlicher als der mit 135 sehr hohe Index für die Wertschöpfung, also das Verhältnis des Wertes der erzeugten Syntheseprodukte zu den Katalysatorkosten.

Katalytische Prozesse kannte man schon im frühen Altertum – so vor allem die Fermentation von Zucker zu Alkohol sowie dessen Umsetzung zu Essig. Zu einem tieferen Verständnis und einer gezielten Nutzung des Katalyseprinzips kam es aber erst sehr viel später; über Tonerde erhitzter Alkohol lieferte 1783 überraschenderweise Ethylen, Schwefeldioxid und Luftsauerstoff wurden 1806 in Schwefeltrioxid verwandelt, aus dem die wichtige Schwefelsäure gewonnen wird. An die Stelle der dabei zunächst eingesetzten Stickoxide trat in Deutschland vor hundert Jahren erstmals Platinmetall beim legendären Kontaktverfahren; später kamen dann die billigeren Vanadiumoxid-Katalysatoren. Ein weiterer Meilenstein der Katalyseforschung bedeutete 1910 das Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniaksynthese. Es gründete auf der Idee, aus Luft und Wasser Stickstoff und Wasserstoff zu gewinnen und zu wertvollem Ammoniak zu verarbeiten. Erst die richtige Katalysatorwahl machte das Verfahren lohnend.