Untersuchungen zu Struktur-Aktivitätsbeziehung edelmetallbasierter Katalysatoren in der kontinuierlichen, basenfreien Oxidation von 5-(Hydroxymethyl)furfural

• Antragsteller: Professor Dr. Jan-Dierk Grunwaldt
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 574483742

Die Oxidation von 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) zu 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) und die oxidative Veresterung zu 2,5-Furandicarbonsäure-dimethylester (FDMC) sind vielversprechende Routen, um bio-basierte Monomere herzustellen. Ein bekanntes Beispiel ist die Weiterverarbeitung zu Polyethylenfuranoat (PEF), welches als alternatives Verpackungsmaterial zu PET (Polyethylenterephthalat) gilt. Ziel dieses Projekts ist die basenfreie und kontinuierliche Oxidation von HMF mit heterogenen Katalysatoren auf Edelmetallbasis, bislang meist nur in Gegenwart von Basen und in Satzreaktoren beschrieben. Im Gegensatz zu herkömmlichen Substraten ist über den Mechanismus und die Struktur des Katalysators wenig bekannt. Dies wäre wichtig, um neue Impulse zu erhalten. Deshalb sollen diese Untersuchungen mit in-situ- und operando-spektroskopischen Methoden gekoppelt werden. Der kontinuierliche Betrieb in der Flüssigphase wurde in ersten Experimenten erfolgreich erprobt. In-situ- und operando-Methoden an Synchrotrons sind jetzt für Flüssigphasenreaktionen bei erhöhtem Druck einfacher zugänglich, was sie zu einer äußerst attraktiven und neuartigen Werkzeug in diesem Bereich macht. Das Projekt ist in drei Arbeitspakete (APs) gegliedert. In AP1 werden Au, Pt, Pd und Ru basierte Katalysatoren hergestellt und ihre katalytischen Aktivitäten sowohl in der selektiven Oxidation als auch in der oxidativen Veresterungsreaktion getestet. Zudem werden Promotoren eingesetzt, die die Aktivität/Selektivität erhöhen. Auf die Oberfläche aufgebracht, können sie auch als „Sonden“ für die synchrotronbasierten spektroskopischen Methoden dienen. Im nächsten Schritt, in AP2, werden in-situ Methoden, insbesondere die Röntgenabsorptionsspektroskopie, unter dynamischen Bedingungen angewandt, um zeitaufgelöste Veränderungen der Katalysatorstruktur und des Oxidationszustands zu untersuchen. Dies, unterstützt durch DFT-Rechnungen und Simulation, wird einen Einblick in die Struktur und das aktive Zentrum des Katalysators geben. Auf diese Weise können auch die optimalen Reaktionsparameter bestimmt werden. Ergänzende Untersuchungen mittels Infrarotspektroskopie und oberflächenverstärkter Raman-Streuung werden Einblicke in adsorbierte Spezies liefern. In AP3 werden Deaktivierungs-/Reaktivierungsstudien durchgeführt. Die Anwendung der komplementären spektroskopischen Methoden wird helfen, die strukturellen Veränderungen während der De-/ Reaktivierungsprozesse zu identifizieren. Somit können nicht nur gezielt Reaktivierungsprozeduren entwickelt werden, sondern auch wissensbasiert die nächste Generation an Katalysatoren entwickelt werden. Durch die Kombination von Synthese, Tests und detaillierten in situ/operando-Studien an diesem wichtigen Beispiel werden wir wertvolle Erkenntnisse gewinnen, die uns bei der systematischen Weiterentwicklung heterogener Katalysatoren auf dem Gebiet der kontinuierlich geführten Flüssigphasenoxidation organischer Moleküle helfen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen