Heterogene Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen, indem sie sich in einem anderen Zustand befinden als die Reaktanten. Sie sind effizient und stabil, selbst unter schwierigen Bedingungen wie hohen Temperaturen oder hohem Druck. Traditionell werden Metalle wie Eisen, Platin und Palladium häufig in Branchen wie der Petrochemie und der Landwirtschaft für wichtige Reaktionen wie die Hydrierung und den Haber-Prozess verwendet. Allerdings sind diese Metalle selten und können Probleme wie Ablagerungen durch Verkokung verursachen. Wissenschaftler erforschen zunehmend gemeinsame Elemente als Katalysatoren für nachhaltigere und kostengünstigere industrielle Anwendungen.
Mitte der 2000er Jahre markierte die Einführung des Konzepts des frustrierten Lewis-Paares (FLP) einen großen Fortschritt in der Katalyse, insbesondere bei der Aktivierung kleiner Moleküle. Ein FLP besteht aus einer Kombination zweier Komponenten – eine fungiert als Lewis-Säure und die andere als Lewis-Base – die aufgrund räumlicher oder elektronischer Hindernisse nicht vollständig miteinander reagieren können. Diese „Frustration“ versetzt sie in einen hochreaktiven Zustand, der es ihnen ermöglicht, stabile Moleküle wie Wasserstoff, Kohlendioxid oder Ammoniak zu aktivieren, die normalerweise nur schwer auseinanderzubrechen sind. FLPs zeichnen sich dadurch aus, dass sie über mehrere aktive Zentren verfügen, was sie im Vergleich zu herkömmlichen Katalysatoren, die typischerweise nur über ein aktives Zentrum verfügen, reaktiver und selektiver macht. Es gibt zwei Haupttypen von FLPs: heterogene defektregulierte FLPs und molekularbasierte homogene FLPs. Der erste Typ steuert die Anzahl der aktiven Stellen durch Oberflächendefekte; Es kann mühsam sein, seine Reaktivität genau einzustellen und seine Stabilität zu kontrollieren. Beim zweiten Typ handelt es sich um kleine Moleküle, bei denen das Säure-Base-Paar innerhalb derselben Molekülstruktur vorliegt, wodurch es einfacher ist, ihre Reaktivität durch einfaches Ändern der umgebenden Komponenten anzupassen.
Eine aktuelle Studie hat neue Wege beschritten, indem sie molekularbasierte FLPs für den Einsatz in Festkörpersystemen adaptierte. Dies erreichten die Forscher, indem sie die chemische Vielseitigkeit präkeramischer Polymere durch den Polymer-Derived Ceramic (PDC)-Prozess nutzten. Diese gemeinsame Anstrengung brachte Experten aus der ganzen Welt zusammen, darunter Professor Yuji Iwamoto und Dr. Shotaro Tada vom Nagoya Institute of Technology, Japan; Dr. Samuel Bernard von der Universität Limoges, Frankreich; und Professor Ravi Kumar vom Indian Institute of Technology Madras, Indien. Ihre Ergebnisse wurden am 9. August 2024 online verfügbar gemacht, am 2. Oktober 2024 zum „Hot Paper“ erklärt und in Band 63, Ausgabe 46 der Zeitschrift veröffentlicht Angewandte Chemie Internationale Ausgabe am 11. November 2024.
Professor Yuji Iwamoto, der leitende Forscher, erklärt: „Wir verwendeten ein stickstoffhaltiges Organosiliciumpolymer, bekannt als Polysilazan, als Vorläufer für Lewis-Basen-Stellen sowie für die amorphe Siliziumnitrid-Matrix (a-SiN). Durch die Umwandlung durch a Durch den thermochemischen Prozess haben wir das a-SiN-Gerüst mit präzise kontrollierten Porengrößen geschaffen, die als nanobegrenzte Reaktionsfelder fungieren.“
In dieser Studie modifizierte das Forschungsteam Polysilazan chemisch mit Bor (B) – einer natürlich vorkommenden und weniger giftigen Lewis-Säure – und Natrium (Na). Das modifizierte Material wurde dann fließendem Ammoniak bei 1000 °C ausgesetzt, was zu Natrium-dotiertem amorphem Silizium-Bornitrid (Na-dotiertes SiBN) führte.
Mithilfe modernster spektroskopischer Techniken entdeckten die Forscher, wie das mit Natrium dotierte SiBN-Material auf molekularer Ebene mit Wasserstoff interagiert. Sie fanden heraus, dass die einzigartige Struktur dieses Materials die Reaktivität von Bor- und Stickstoffstellen bei Einwirkung von Wasserstoff steigerte. Insbesondere interagierten Wasserstoffmoleküle sowohl mit den Borstellen als auch mit den Natriumionen und wandelten die dreifach koordinierte Bor-Stickstoff-Einheit in eine stärker verzerrte und polare Struktur um, um eine vierfach koordinierte Geometrie mit kleinen Molekülen zu bilden, die als frustrierter Lewis fungierten Säurestellen (FLA). Wenn Wasserstoff bei bestimmten Temperaturen eingeführt wurde, löste er Veränderungen in den Stickstoff-Wasserstoff-Bindungen (NH) aus, was zur Bildung frustrierter Lewis-Basen (FLB)-Stellen führte. Diese Stellen erzeugten ein dynamisches Wechselwirkungsmuster des FLP, das eine reversible Wasserstoffadsorption und -desorption ermöglichte, was durch thermodynamische Experimente bestätigt wurde. Die hohe Aktivierungsenergie für die Wasserstofffreisetzung ließ auf starke Wechselwirkungen schließen und machte das Material zu einem vielversprechenden Katalysator für effiziente und nachhaltige wasserstoffbasierte Reaktionen.
Dieses neu entwickelte amorphe, mit Natrium dotierte SiBN-Material zeichnet sich durch seine außergewöhnliche thermische Stabilität aus, übertrifft andere molekulare FLPs und macht es zu einem idealen Kandidaten für katalytische Prozesse unter rauen Bedingungen. Darüber hinaus bietet seine flexible, auf Keramik basierende Struktur ein enormes Potenzial für praktische Anwendungen, insbesondere bei Hydrierungsreaktionen, die in Branchen wie Energie und Chemie wesentliche Prozesse sind.
„Dieser Ansatz ist vielversprechend für die Weiterentwicklung von Hauptgruppen-vermittelten Wechselwirkungen zwischen fester und gasförmiger Phase in der heterogenen Katalyse. Er bietet wertvolle Erkenntnisse und verspricht bedeutende Auswirkungen in diesem Bereich“, erklärt Professor Iwamoto.
Die bahnbrechenden Ergebnisse dieser Studie unterstreichen das Potenzial dieses innovativen Materials, die nachhaltige Katalyse zu revolutionieren.
