En 40-årig katalysator afslører sine hemmeligheder

Titanium silicalite-1 (TS-1) er ikke en ny katalysator:Det er næsten 40 år siden udviklingen og opdagelsen af ​​dets evne til at omdanne propylen til propylenoxid, et vigtigt basiskemikalie i den kemiske industri. Nu, ved at kombinere forskellige metoder, et team af forskere fra ETH Zürich, universitetet i Köln, Fritz Haber Institute og BASF har afsløret denne katalysators overraskende virkningsmekanisme. Fra Köln, arbejdsgruppen for professor Dr. Albrecht Berkessel på Kemisk Institut var involveret. Disse fund vil hjælpe katalysatorforskning med at tage et vigtigt skridt fremad.

Propylenoxid bruges i industrien til at fremstille produkter såsom polyurethaner, tilsætningsstoffer til frostvæske og hydraulikvæsker. Mere end 11 millioner tons propylenoxid produceres årligt i den kemiske industri verden over, heraf produceres 1 million tons allerede ved oxidation af propylen med hydrogenperoxid. Denne kemiske reaktion katalyseres af TS-1, en mikroporøs, krystallinsk materiale, der består af silicium og oxygen og indeholder små mængder titanium. Katalysatoren har været brugt med succes i 40 år, og eksperter antog, at det aktive center i TS-1 indeholder individuelle, isolerede titaniumatomer, der sikrer katalysatorens særlige reaktivitet.

Et team af forskere fra ETH Zürich, universitetet i Köln, Fritz Haber Institute og BASF satte spørgsmålstegn ved denne antagelse. "I de seneste år, der er opstået tvivl om, hvorvidt antagelsen om virkningsmekanismen er korrekt, da den primært er baseret på analogier med sammenlignelige katalysatorer og mindre på eksperimentelt bevis. Men hvis du forsøger at optimere en katalysator på grundlag af en forkert antagelse, det er meget svært og kan føre dig i den helt forkerte retning. Det var derfor vigtigt at undersøge denne antagelse nærmere, "forklarer BASF -videnskabsmand Dr. Henrique Teles, en af ​​medforfatterne til den videnskabelige publikation, udgangspunktet for samarbejdet.

I en undersøgelse nu offentliggjort i Natur , holdet var i stand, ved hjælp af faststof-NMR-undersøgelser og computermodellering, for at vise, at to nabotitanatomer er nødvendige for at forklare den særlige katalytiske aktivitet. Dette fik igen forskerholdet til at konkludere, at titaniumatomerne ikke er isolerede, men at det katalytisk aktive center snarere består af et titanpar. "Ingen af ​​de metoder, vi brugte i undersøgelsen, er grundlæggende nye, men ingen af ​​de forskningsgrupper, der var involveret i undersøgelsen, kunne have udført undersøgelsen på egen hånd, "understreger prof. Christophe Copéret fra ETH Zürich, korrespondanceforfatteren af ​​publikationen. "Kun kombinationen af ​​forskellige ekspertiseområder og forskellige teknikker gjorde det muligt at undersøge katalysatorens aktive centrum nærmere."

"Vi har arbejdet i mange år for at belyse reaktionsmekanismen for en homogen titankatalysator og fandt ud af, at - i modsætning til antagelserne i litteraturen - hydrogenperoxidet aktiveres af et titanpar. Det var virkelig et særligt øjeblik, da vi så i nuværende undersøgelse, at resultaterne fra homogen katalyse også gælder for heterogen katalyse, "sagde medforfatter prof. Albrecht Berkessel fra universitetet i Köln. Og Dr. Thomas Lunkenbein, medforfatter fra Fritz Haber Institute i Berlin, tilføjer:"Vi er meget glade for, at vi var i stand til at yde et bidrag til denne undersøgelse. Med vores analyser, vi var i stand til at underbygge konklusionerne. Kendskabet til et diatomisk aktivt center er af grundlæggende betydning og åbner nye muligheder for katalysatorforskning. "

Teamet er overbevist om, at resultaterne af denne undersøgelse ikke kun vil bidrage til at forbedre eksisterende katalysatorer, men også at udvikle nye homogene og heterogene katalysatorer.