Wöchentlicher Leistungspreis – Nano-konzentrierte Katalyse – Große Erfolge auf kleinstem Raum

Die Herstellung von Synthesegas (einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff) unter Verwendung von Rohstoffen wie Kohle und Petrolkoks sowie die Verwendung von Synthesegas zur Herstellung von Kohlenwasserstoffprodukten mit unterschiedlicher Anzahl von Kohlenstoffatomen ist zu einem wichtigen chemischen Industriezweig in der modernen Industrie geworden. Substanzen mit unterschiedlicher Anzahl von Kohlenstoffatomen haben unterschiedliche Verwendungszwecke, und unter ihnen werden „kohlenstoffarme Olefine“ mit 2–4 Kohlenstoffatomen häufig verwendet.

Im Vergleich zu „kohlenstoffreichen Olefinen“ können kohlenstoffarme Olefine als hochwertige chemische Rohstoffe zur nachfolgenden Produktion transportiert und zur Herstellung verschiedener Chemikalien, Medikamente, Kunststoffe und anderer Materialien zur Deckung des menschlichen Bedarfs verwendet werden. Das derzeit gängige Verfahren zur Herstellung von Kohlenwasserstoffprodukten aus Synthesegas ist das Fischer-Tropsch-Verfahren. Mit diesem 1925 erfundenen Verfahren lassen sich unter Einsatz von Katalysatoren und geeigneten Bedingungen CO und H2 in Kohlenwasserstoffe umwandeln. Allerdings ist dies durch die theoretische Grenze begrenzt, dass der Anteil an C2-C4-Kohlenwasserstoffen 56,7 % nicht überschreiten darf. Fast die Hälfte der verbleibenden Produkte sind Methan (CH4), das nur verbrannt werden kann, und andere kohlenstoffreiche Olefine. In der Praxis ist die tatsächliche C2-C4-Ausbeute der Fischer-Tropsch-Synthese sogar noch geringer.

Die mit dem ersten Preis der Nationalen Naturwissenschaften 2020 gewürdigten Leistungen, die vom Team des Akademikers Bao Xinhe vorgeschlagene neue Synthesestrategie auf Basis der „nano-konzentrierten Katalyse“, führten zu einer Win-Win-Situation aus hoher Aktivität und hoher Selektivität.

Was ist „Nanoconfined Catalysis“? Die allgemeine Auffassung besteht darin, extrem komplizierte Dinge auf extrem kleinem Raum zu erledigen. Für Chemiker ist ein Raum von 2 bis 3 cm bereits zu groß und der Nanobereich ist oft der Ort, an dem sie akribisch arbeiten. Obwohl wir oft vom Konzept Nanometer hören, beispielsweise von seiner Definition: 1 Nanometer sind 10-9 Meter, ist es immer noch schwierig, ein intuitives Verständnis von Nanometern zu entwickeln. Nehmen wir als Beispiel eine einfache Analogie: Wenn wir „1 Meter“ auf 5.200 Kilometer vergrößern, dann wird „1 Nanometer“ proportional auf das 10-9-fache von 5.200 Kilometern vergrößert – das sind 5,2 Millimeter, was etwa der halben Breite des kleinen Fingers eines Erwachsenen entspricht.

„Confinement“ ist Screening im Nanomaßstab

Die Kontrolle chemischer Reaktionen im Nanomaßstab kann oft magische Ergebnisse hervorbringen. Dies liegt daran, dass die Größe der Atome und Moleküle, aus denen unsere Welt besteht, genau im Nanobereich liegt: Ein Wassermolekül ist beispielsweise etwa 0,4 Nanometer groß, und der Abstand zwischen dem Kohlenstoffatom und dem Wasserstoffatom auf derselben Seite in einem Ethylenmolekül beträgt nur 0,25 Nanometer. und wenn die Zahl der Kohlenstoffatome zunimmt, erhöht sich die Molekülgröße auf ein Dutzend oder Dutzende Nanometer. Dies gibt uns die Möglichkeit, die Ausbeute an „kohlenstoffarmen Olefinen“ zu erhöhen: Wenn wir einige nanometergroße Poren (Kohlenstoffnanoröhren) als Reaktionsstellen für die Umwandlung von Synthesegas in Olefine schaffen und wenn die Größe dieser Poren sehr klein ist (einige Nanometer), sodass nur Olefine mit sehr wenigen Kohlenstoffatomen existieren und durch die Poren gelangen können und keine kohlenstoffreichen Olefine in den Poren entstehen können, dann können wir die theoretische Obergrenze der Fischer-Tropsch-Synthese durchbrechen. Diese Methode zum Screening und Erzeugen von Produkten durch Regulierung der Nanogröße der Poren wird als Nanoporeneinschluss bezeichnet.

Hocheffizientes Katalysatorsystem in Nanoröhren

Wenn Wissenschaftler Katalysatoren in diese nanogroßen Kanäle platzieren, wird die Aktivität des Katalysators selbst erhöht: So wie Menschen unter bestimmten Drücken ein größeres Potenzial freisetzen können, verändert die Umgebung des Katalysators in extrem engen Räumen seine elektronische Konfiguration und seine Orbitaleigenschaften und erhöht dadurch seine katalytische Effizienz und Selektivität.

Dem Team von Akademiker Bao Xinhe gelang es, eine Reihe komplexer katalytischer Systeme in Kohlenstoffnanoröhren für die effiziente und präzise Synthese von Synthesegas zu konstruieren. Noch schwieriger ist es, katalytische Systeme präzise zu synthetisieren, ihre Leistung zu bewerten und die wissenschaftliche Wahrheit dahinter im Nanomaßstab herauszufinden. Aber für hervorragende Chemiker gibt es immer mehr Lösungen als Probleme. Mehr als 20 Jahre harter Arbeit führten zum erfolgreichen Vorschlag des Konzepts der „Nano-Confined Catalysis“ und seiner industriellen Demonstration und Anwendung, wodurch die hochselektive Synthese von kohlenstoffarmen Olefinen erfolgreich realisiert werden konnte. Für mein Land, das über wenig Öl und viel Kohle verfügt, bedeutet dies eine effizientere Möglichkeit, chemische Rohstoffe aus Kohle zu gewinnen. Zudem eröffnet sich die Möglichkeit, den katalytischen Prozess zu verstehen und chemische Reaktionen präzise zu steuern. Auch in Zukunft wird diese Technologie ihre Rolle spielen und einen größeren Mehrwert schaffen.

(Text: Li Cunpu, Professor der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen der Universität Chongqing; Gutachter: Huang Xun, außerordentlicher Professor der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen der Universität Chongqing)

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