Katalyse ist eine Schlüsseltechnologie der chemischen Industrie. Gezielte Verbesserungen an bekannten Katalysatoren und das Design neuartiger Katalysen können somit grundlegend dazu beitragen, Ressourcen optimal zu nutzen. Ansatzpunkt dafür im neuen Sonderforschungsbereich 1333 ist die dirigierende Wirkung synthetischer Poren.

Wie müssen lösliche Katalysatoren in den Poren von Trägermaterial verankert werden, sodass katalytische Reaktionen schneller und zielgenauer ablaufen? Antworten darauf liefert der neue Sonderforschungsbereich an der Uni Stuttgart, SFB 1333.


Schon heute werden Katalysatoren zur Herstellung von mehr als 80 Prozent aller chemischen Produkte genutzt: so zum Beispiel für das Verpackungsmaterial Polypropylen, das Medikament Ibuprofen oder für Ammoniak als Grundstoff von Düngemitteln. Die Katalysatoren sparen Ressourcen, weil sie Reaktionen beschleunigen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Trotzdem gibt es immer noch viele industrielle Prozesse, die einen hohen Energieeinsatz erfordern oder große Mengen Nebenprodukte erzeugen.

Ein besonders erfolgreiches Konzept biologischer Katalysatoren ist die gezielte Nutzung von Hohlräumen zur Steuerung der Katalyse. Der Hohlraum bewirkt eine höhere Konzentration der Ausgangsstoffe im Bereich des katalytischen Zentrums und sorgt dafür, dass die Startmaterialien gezielt nur in einer bestimmten Weise am Katalysator gebunden oder Nebenprodukte beschleunigt abtransportiert werden. Dieses Prinzip der über Jahrmillionen optimierten, aber fragilen biologischen Systeme auf stabilere chemische Feststoffkatalysatoren zu übertragen, ist das Ziel der Forscher des 2018 gestarteten SFB 1333 "Molekulare heterogene Katalyse in denierten dirigierenden Geometrien" an der Universität Stuttgart, an dem auch Forscher vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung und der Universität Paderborn beteiligt sind.

Dazu verankern die Forscher metallorganische Katalysatoren gezielt in den Poren von sogenannten mesoporösen Trägermaterialien mit einem Porendurchmesser zwischen zwei und 50 Nanometer, also Millionstel Millimeter. Ist dies geschafft, besteht die Kunst darin, die Vielzahl von Wechselwirkungen der Pore mit Katalysator und Reaktanden optimal zu nutzen. Dieser hochkomplexe Vorgang erfordert eine exakte Kontrolle über alle beteiligten Parameter sowie neuartige, räumlich und zeitlich aufgelöste Analysemethoden. Aufwändige Simulationen ermöglichen es; den Einfluss einzelner Variablen auf die Katalyse grundlegend zu verstehen. Interdisziplinäre Zusammenarbeit und der Einsatz modernster Methoden sind für all dies unverzichtbar – und in Stuttgart auch konzentriert an einem Ort möglich. Zusätzliche Synergien sind durch die enge Anbindung an den Stuttgarter Exzellenzcluster für Simulationswissenschaft (SimTech) sowie an den SFB 1313 "Transportprozesse in Porösen Medien" zu erwarten.

"So haben wir optimale Voraussetzungen, um nicht nur synergistische Wechselwirkungen unserer Modellkatalysen mit den Trägermaterialien zu identifizieren, sondern auch die zugrunde liegenden Effekte im Detail zu verstehen", so der Sprecher des SFB 1333, Prof. Dr. Michael R. Buchmeiser. Dies soll die Basis schaffen, um in den folgenden Förderperioden maßgeschneiderte Katalysator-Träger-Hybride für eine große Bandbreite von Katalysatoren zu entwickeln. Letztlich wird dies zu nachhaltigeren chemischen Produktionsprozessen beitragen und könnte sogar ganz neue Arten von Katalysen ermöglichen.


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