Ressourceneffiziente Katalysatoren aus bakterieller Nanocellulose
Augsburger Forscher berichten im Journal of Materials Chemistry über ein neues ?Eintopfverfahren“ zur Abscheidung von Ruthenium auf hochreinen Cellulosefilzen
Augsburg/DV/KPP - Wissenschaftler des Lehrstuhls für Festk?rperchemie der Universit?t Augsburg berichten im britischen Journal of Materials Chemistry erstmals von einem energie- und ressourceneffizienten Verfahren zur Abscheidung edelmetallhaltiger Nanopartikel auf einem filzartigen Tr?ger aus carbonisierter bakterieller Nanocellulose. Der so gewonnene Katalysator unterstützt die Methanbildung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas unter milden Reaktionsbedingungen. Hochreine Cellulosefasern mit Durchmessern im Bereich von wenigen 10 Nanometern werden von verschiedenen fermentierenden Bakterienst?mmen aus Rohr- oder Fruchtzucker produziert. Diese natürlich vorkommenden Bakterien bilden auf ihrer Zelloberfl?che Mikrofibrillen aus Cellulose, die die L?nge ihres Zellk?rpers um ein Vielfaches übersteigen und miteinander zu einem dreidimensionalen Geflecht verfilzen (Abb.1). In indonesischen L?ndern wird ein derartiger Fermentierungsprozess seit langer Zeit zur Herstellung der popul?ren Sü?speise ?Nata de coco“ verwendet, eines gelatineartigen aromatisierten Nahrungs- und Genussmittels. Alternativ l?sst sich hochreine mikrokristalline Cellulose auch aus Pflanzen gewinnen, allerdings ist diese Form der Erzeugung an energie- und kostenintensive Aufarbeitungs- und Reinigungsschritte gebunden. Ein Wissenschaftlerteam am Augsburger Lehrstuhl für Festk?rperchemie (Prof. Dr. Dirk Volkmer) ist in einer jüngsten Studie nun der Frage nachgegangen, ob sich Filze aus bakterieller Nanocellulose prinzipiell auch als Tr?ger für Edelmetallkatalysatoren eignen. ?ber die Ergebnisse berichtet das Team jetzt in der renommierten englischen Fachzeitschrift Journal of Materials Chemistry A. Die Wissenschaftler untersuchten zun?chst, ob sich Filze aus bakterieller Nanocellulose bei hohen Temperaturen – unter Erhalt des natürlichen 3D-Geflechts – in einen Tr?ger aus nanostrukturiertem Kohlenstoff umwandeln lassen. Der Graphit-Nanofilz, den sie bei 800 °C erhielten, ist hochpor?s: Ein Gramm des Materials hat eine innere Oberfl?che von ca. 600 Quadratmetern. Dies entspricht etwa der Fl?che von drei Tennispl?tzen – gefaltet auf die Gr??e einer Erbse! Solche hochpor?sen, in ihrer Form stabilen Filze eignen sich hervorragend als Tr?ger für katalytisch aktive Nanopartikeln. Die Augsburger Forscher setzten hier auf das Element Ruthenium, da dieser ?schwere Verwandte“ von Eisen in verschiedensten technischen Prozessen eine hohe katalytische Aktivit?t aufweist. ?Der eigentliche Clou ist die Abscheidung der Ruthenium-Nanopartikeln auf dem Cellulosefilz im Eintopfverfahren“ berichtet der Chemie-Ingenieur Andreas Kalytta-Mewes. ?Im Verlauf der Untersuchungen haben wir n?mlich herausgefunden, dass der bakterielle Filz lediglich mit einer L?sung getr?nkt werden muss, die einen einfachen Rutheniumkomplex enth?lt. Der Rest erledigt sich dann – fast – von selbst, sprich: durch kurzzeitiges Erhitzen des Filzes auf 1250 °C erh?lt man ein Carbonfaser-Netzwerk, das die Katalysator-Nanoteilchen in fein verteilter Form enth?lt.“ Diese Verteilung, der Dispersionsgrad der Edelmetallpartikeln auf dem Tr?ger also, ist ein entscheidender Faktor für deren katalytische Aktivit?t. Hochaktive Katalysatoren ben?tigen in der Regel extrem kleine Nanopartikeln, die nur aus wenigen 10 bis 100 Metallatomen bestehen und die unter technischen Reaktionsbedingungen nicht miteinander sintern, weil sie dadurch ihre Aktivit?t einbü?en würden. Bei ersten Tests gelang mit den im Eintopfverfahren erzeugten Katalysatoren (s. Abb. 2) eine direkte Umwandlung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu Methangas unter sehr milden Reaktionsbedingungen, unter Normaldruck n?mlich und bei einem Einsetzen der Reaktion ab 135 °C. Eine m?gliche gro?technische Anwendung w?re z. B. die ?berführung von (solar produziertem) leichtflüchtigem Wasserstoff, dessen Lagerung und Speicherung einen hohen technischen Aufwand erfordert, in Erdgas. ?Um diesen Schritt sinnvoll gehen zu k?nnen, müssten allerdings Katalysatoren entwickelt werden, die anstelle von Kohlenmonoxid das Treibhausgas Kohlendioxid verwenden. Mit solchen Katalysatoren lie?e sich dann freilich eine nachhaltige Prozesskette schlie?en, die mit einem biotechnologisch produzierten Tr?germaterial beginnt und in der Produktion eines Energietr?gers aus leicht verfügbaren bzw. umweltvertr?glich und ressourceneffizient hergestellten Zwischenstoffen wie Kohlendioxid oder Solarwasserstoff einen konsequenten Abschluss f?nde“, erl?utert Volkmer. Mit seinem Festk?rperchemie-Lehrstuhl ist er Mitglied sowohl im Institut für Physik als auch im Institut für Materials Resource Management (MRM) der Universit?t Augsburg. An beiden Instituten ist die Entwicklung nachhaltiger Prozess- und Stoffketten ein wichtiger Themenschwerpunkt. Bakteriell produzierte Nanocellulose, mit der Volkmer und sein Team arbeiten, sind für materialtechnologische Anwendungen derzeit weder in gr??eren Mengen noch zu vertretbaren Kosten verfügbar. Deshalb werden derzeit am Anwenderzentrum für Material- und Umweltforschung (AMU) der Universit?t Augsburg eigene biotechnologische Produktionskapazit?ten aufgebaut, ein Biotechnologielabor wurde speziell hierfür bereits eingerichtet. Erste Ergebnisse bei der Produktion bakterieller Nanozellulose, die durch Umwandlung einfachen Haushaltszuckers (Saccharose) erfolgt, zeigen, dass durch optimierte Zellkulturverfahren und Variation der N?hrmedien ein starker Einfluss auf die Fasermorphologie ausgeübt werden kann. ?Das ist eine wichtige Voraussetzung, um Cellulosefilze für verschiedenste Anwendungen ma?schneidern zu k?nnen“ erl?utert Volkmer und ist zuversichtlich, dass die bakterielle Nanocellulose sich hervorragend in die in Augsburg vorhandene Expertise auf dem Gebiet der funktionalen Carbonmaterialien (Carboterials?) einfügen wird. ____________________________________________________ Andreas Kalytta-Mewes, Sebastian Spirkl, Sebastian Tr?nkle, Manuel Hambach und Dirk Volkmer: Carbon supported Ru clusters prepared by pyrolysis of Ru precursor-impregnated biopolymer fibers, J. Mater. Chem. A, 2015, Advance Article, DOI: 10.1039/C5TA04253D
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2015/TA/c5ta04253d#!divAbstract
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