Nachhaltige katalytische Hydrierung mit maximaler Edelmetalleffizienz – Ein wissensbasierter Ansatz

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Libuda
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 573335797

Dieses Projekt widmet sich dem rationalen Design nachhaltiger Katalysatoren mit äußerst effizientem Edelmetalleinsatz für die selektive Hydrierung. Es verfolgt drei zentrale Nachhaltigkeitsziele: (1) die Entwicklung verbesserter Katalysatoren für eine zukünftige chemische Produktion auf Basis erneuerbaren Wasserstoffs, (2) die Minimierung des Edelmetallbedarfs durch neue Stabilisierungskonzepte und (3) den Ersatz kritischer Materialien durch nachhaltigere Alternativen. Im Fokus steht die selektive Hydrierung von α,β-ungesättigten Aldehyden zu ungesättigten Alkoholen – eine langjährige Herausforderung in der Katalyse. Vorgeschlagen wird ein bifunktionelles Katalysatorsystem auf Basis von Manganoxid mit extrem niedriger Edelmetallbeladung. Dieses innovative System reduziert nicht nur den Einsatz von Edelmetallen, sondern ersetzt auch kritische Trägermaterialien wie Cobaltoxid durch umweltfreundlichere Manganoxide. Ziel ist es, bestehende Funktionsprinzipien auf nachhaltige Materialien zu übertragen und diese darüber hinaus weiterzuentwickeln. Kern des Ansatzes ist die gezielte Kopplung zweier katalytischer Funktionen: atomar verteilte Edelmetallatome zur selektiven Aktivierung von Kohlenwasserstoffen und ultrakleine Edelmetallaggregate für die effiziente Wasserstoffaktivierung. Die synergetische Wechselwirkung dieser Funktionen soll die Selektivität über die bisherigen Grenzen hinaus steigern. Das Projekt verfolgt einen grundlagenorientierten Ansatz durch die Kombination von Modellkatalyse, Surface Science und modernen Modellierungs- und Simulationsverfahren. Es gliedert sich in drei Arbeitspakete: (1) Untersuchung der strukturellen und elektronischen Eigenschaften von atomar dispergierten Edelmetallen und Aggregaten auf Manganoxid, (2) Erforschung des Reaktionsverhaltens von Sauerstoff-haltigen Kohlenwasserstoffen und Wasserstoffaktivierung mit Fokus auf der Kopplung dieser Funktionen, und (3) Analyse der Katalysatorstabilität unter nahezu realen Bedingungen. Ein zentrales Element ist die enge Zusammenarbeit von Partnern mit komplementärer Expertise in der Oberflächenwissenschaft, er Modellkatalyse und in computergestützten Methodiken. Atomar definierte Modellkatalysatoren werden mittels modernster Verfahren charakterisiert, darunter Synchrotron-Photoelektronen-spektroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie nahe Umgebungsdruck, Rastertunnel-/Rasterkraftmikroskopie sowie IR-Reflexionsabsorptionsspektroskopie (einschließlich Polarisationsmodulation). Die Experimente werden durch Simulationen mittels Dichtefunktional-theorie (einschließlich Ab-Initio-Thermodynamik), Molekulardynamik und maschinellem Lernen begleitet, um Struktur und Reaktionsmechanismen unter realitätsnahen Bedingungen aufzuklären. Diese synergetische Herangehensweise liefert grundlegende Erkenntnisse zur gezielten Entwicklung bifunktioneller, manganbasierter Hydrierungskatalysatoren für eine nachhaltige chemische Produktion.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Singapur
• Partnerorganisation: Agency for Science, Technology and Research (A*STAR)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Sergey Kozlov