Ohne Zeolithe würde auf unserem Planeten nicht mehr viel gehen. So sind die Minerale von entscheidender Bedeutung für die Benzinproduktion, sorgen dafür, dass das Geschirr in der Spülmaschine trocken wird, entkalken das Wasser im Waschpulver und dienen zur Herstellung von reinem Sauerstoff.
Wissenschaftler der FAU schafften nun die Anfertigung von neuen Zeolithen, die über einen schichtförmigen Aufbau verfügen. Durch die neuartigen Zeolithe ist es möglich, chemische Prozesse schneller, umweltfreundlicher und kostengünstiger durchzuführen. Die Präsentation der FAU-Forschungsresultate fand Anfang September 2014 in Leipzig auf der 6. FEZA (Europäische Zeolithkonferenz) statt.
Bei Zeolithen handelt es sich um Silikate, die über eine feste Gerüststruktur verfügen, die jedoch porös ist. Zu finden sind die Minerale in verschiedenen Formen beinahe überall innerhalb der Erdkruste. Zu Beginn der 50er Jahre erfolgte auch eine künstliche Herstellung der Zeolithe in größerem Umfang. Die speziellen Eigenschaften der Minerale machen sich Chemiker auf unterschiedliche Weise zunutze. So kommen die engen Kristallporen, die einen Durchmesser unter einem Nanometer haben, gewissermaßen als Sieb zur Anwendung. Während große Moleküle ausgefiltert werden, dürfen kleinere Moleküle passieren. Darüber hinaus eignen sich die Zeolithe ausgezeichnet als Katalysatoren. An ihrer Oberfläche können nämlich Moleküle angelagert werden, die spezielle Reaktionen hervorrufen.
Ohne Zeolithe kein Waschpulver und Benzin
Nach Ansicht von Professor Dr. Wilhelm Schwieger, der an der chemischen Reaktionstechnik der FAU tätig ist, stellen die Zeolithe moderne Arbeitspferde der Chemie dar. So fließt jeder verbrauchte Tropfen Benzin durch die Poren von Zeolith-Kristallen. Das gebräuchliche Waschpulver setzt sich zu rund 30 Prozent aus Zeolithen zusammen. Ingesamt gibt es bislang 218 bekannte Zeolith-Strukturen. Für die Forschung ist diese Vielfalt von besonderem Interesse. Laut Professor Schwieger wird der Versuch unternommen, Materialien zu erzeugen, die über genau definierte Eigenschaften verfügen. Auf diese Weise sollen chemische Reaktionen besser gesteuert und perfektioniert werden.
Von schichtartigen Strukturen werden Moleküle besser gesteuert
Professor Schwieger entwickelte gemeinsam mit Professor Dr. Martin Hartmann, der am ECRC (Erlangen Catalysis Resource Center) arbeitet, innerhalb eines Erlangener Forschungsprojekts einen neuen Katalysatortyp. Dieser weist die Besonderheit auf, aus schichtförmigen Zeolith-Kristallen zu bestehen, die übereinander liegen. Auf diese Weise kommt es zu einem System mit Porengrößen, die sehr unterschiedlich ausfallen. Professor Schwieger erklärt dazu: „Die größeren Poren, die einen Durchmesser von mehreren Nanometern haben, dienen den Molekülen gewissermaßen als Autobahn und können rasch zu einer bestimmten Stelle gelangen. Von den kleinen Poren, deren Durchmesser unter einem Nanometer liegt, werden die zahllosen Trampelpfade gebildet. Auf diesen kommen jedoch nur bestimmte Moleküle voran.“
Nach Auffassung von Professor Hartmann liegt der Vorteil der hierarchischen Struktur darin, dass die passenden Moleküle deutlich rascher an die aktiven Zentren gelangen. Dabei handelt es sich um die aktiven Stoffe, die als Katalysatoren fungieren. Ein Zeolith-Kristall erreicht für ein Molekül eine riesige Größe. Das bedeutet, dass eine Porenwandfläche von 5 Gramm Zeolith ungefähr den Umfang eines Fußballfeldes erreicht. Dadurch vergeht einige Zeit, bis das Molekül vorankommt. Außerdem können ungewollte Reaktionen auftreten. Da die Forscher nun dazu imstande sind, die Größe der Poren exakt einzustellen und sie durch das Kombinieren mit unterschiedlichen Zeolithen verkleinern können, sind Weg und Tempo der Moleküle durch die Kristallstruktur präzise steuerbar.
Geringerer Verbrauch von Ressourcen durch weniger Nebenprodukte
Die hierarchische Filterfunktion bringt den Vorteil mit sich, dass nur noch die Moleküle zu den katalytischen Zentren gelangen, die dafür vorgesehen sind. So weist Professor Schwieger darauf hin, dass sich durch diese Selektion exakt die Produkte anfertigen lassen, die benötigt werden. Die Nebenprodukte, die sonst bei chemischen Reaktionen entstehen, bleiben aus. Darüber hinaus verläuft der Alterungsprozess der speziellen Katalysatoren langsamer. Außerdem entstehen weniger Ablagerungen. Kommen die neuen Katalysatoren in Zukunft in großtechnischen Prozessen zum Einsatz, führt dies zur Schonung der natürlichen Ressourcen. Nach Ansicht von Professor Hartmann wird sich die effizientere Arbeit vermutlich auch senkend auf die Kosten auswirken.
