Gold als Katalysator

Ein Überblick über Gold als Katalysator

Gold wird als Katalysator in einer Reihe von industriellen Prozessen verwendet. Der Goldlegierungskatalysator wird bereits bei der Herstellung von Vinylacetat-Monomer verwendet.

Einführung in die Goldkatalysatoren

Ein Katalysator ist eine Substanz oder ein Material, das die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beschleunigt, ohne selbst von der Reaktion verbraucht zu werden. Katalysatoren sind ein wesentlicher Bestandteil vieler verschiedener industrieller Prozesse zur Herstellung von Chemikalien, Lebensmitteln und anderen Materialien.

Vielleicht war eine der ersten bewussten Anwendungen der Katalyse die Fermentation von Zucker zur Herstellung von Alkohol. Eine weitere alltägliche Anwendung ist die Verwendung von Katalysatoren in Kraftfahrzeugen zur Kontrolle von Abgasemissionen.

Gold als Katalysatormaterial

Gold wurde von den meisten Forschern bis vor kurzem als möglicher industrieller Katalysator übersehen. Es wurde jedoch gezeigt, dass die folgenden Reaktionen durch geträgerte Goldkatalysatoren effektiv katalysiert werden:

Kohlenmonoxidoxidation, einschließlich selektive Oxidation in einem Wasserstoffstrom
katalytische Verbrennung von Kohlenwasserstoffen
Hydrochlorierung von Ethin
Wasserstoff + Sauerstoff-Reaktion zu Wasserstoffperoxid
Schwefelwasserstoff- und Schwefeldioxid-Entfernung
Oxidation von Glucose zu Gluconsäure
oxidativer Abbau von Dioxinen
oxidative Entfernung von Quecksilber
Ozonabbau
Reduktion von NOx mit Propen, Kohlenmonoxid oder Wasserstoff
selektive Oxidation, z.B. Epoxidierung von Olefinen
selektive Hydrierung, z. B. von Alkinen und Dienen zu Monoolefinen
Vinylacetatsynthese aus Ethen, Essigsäure und Sauerstoff
Wasser Gas Verschiebung

Die Verwendung von Gold als Katalysator erfordert eine sorgfältige und unkonventionelle Herstellung des Goldmetalls, die darauf ausgerichtet ist, eine sehr kleine Goldpartikelgröße zu erreichen.

Kommerzielle Anwendungen

Gold wird neben den anderen Edelmetallen (Metalle der Platingruppe und Silber) als Schlüsselkatalysator in einer Reihe industrieller Prozesse und Anwendungen eingesetzt. Goldlegierungskatalysatoren werden bereits bei der kommerziellen Herstellung von Vinylacetat-Monomer (VAM) verwendet.

Gold als Katalysator

Von all den neuen Anwendungen von Gold basiert die vielleicht interessanteste Entwicklung auf seiner Verwendung als Katalysator in der chemischen Verarbeitung, der Luftreinhaltung und bei der Brennstoffzellenanwendungen. Die Metalle der Platingruppe sind seit Langem als wichtige industrielle Katalysatoren bekannt. Die meisten Forscher hatten jedoch bis vor kurzem Gold als möglichen Katalysator übersehen, da seine Verwendung eine sorgfältige und unkonventionelle Vorbereitung erfordert, die auf die Erzielung einer sehr kleinen Teilchengröße (weniger als 5 nm) ausgerichtet ist.

Eigenschaften und Verwendung von Goldkatalysatoren

Einer der aufregendsten Aspekte der Katalyse durch Gold ist die “Light-Off”-Temperatur, die erreicht werden kann (das ist die Temperatur, bei der der Katalysator funktionsfähig wird). Möglicherweise arbeiten Goldkatalysatoren effektiv bei Temperaturen von bis zu -700 ° C. Andere Edelmetallkatalysatoren neigen dazu, eine optimale Leistung im Bereich von 130 ° C bis 530 ° C zu haben. Dies bietet Gold die Möglichkeit, neue Reaktionen zu katalysieren und in einigen Fällen alternative kosteneffektive Lösungen für die Metalle der Platingruppe anzubieten. Gold wird bereits in einem neuen Werk von BP Chemicals zur Herstellung von Vinylacetat-Monomer (zur Herstellung von Dispersionsfarben und -leimen) verwendet, bei dem ein Gold-Palladium-Legierungskatalysator eine hervorragende Wirkung zeigt. Anwendungen zur Geruchsreduzierung sind ebenso möglich wie die Möglichkeit, Stickoxide aus Abgasen von Dieselmotoren zu entfernen.

Gold, eingekapselt in Porphyrin, wurde als sehr stabil befunden

Theoretisch sind die normalen Oxidationsstufen des Goldatoms die Verbindungen + I und + III. Im Gegensatz dazu bildet die zweiwertige Form (+ II) weitgehend polynukleare Verbindungen oder wird in die monovalente und trivalente Form modifiziert. Die benachbarten Elemente des Goldes im Periodensystem sind jedoch völlig verschieden in Bezug auf diese Materie.

Die Ionen von Kupfer (+ II) und Silber (+ II), welche die Münzmetalle sind, existieren normalerweise in zweiwertiger Form. Ähnlich verhält es sich mit Platin (+ II) und Quecksilber (+ II), die sich im Periodensystem links und rechts von Gold befinden. Es wurde vorgeschlagen, dass, wenn Gold fotochemischen Katalysereaktionen unterzogen wird, es eine Möglichkeit für die Bildung des + II-Zustandes gibt, obwohl bisher kein verlässlicher Beweis dafür vorlag. Die entsprechenden Beweise wurden kürzlich von Forschern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) in einer kürzlich erschienenen Publikation vorgelegt.

Gold in seiner zweiwertigen Form ist im Zentrum von Porphyrinen stabil

Eine Gruppe von Chemikern unter der Leitung von Professorin Katja Heinze vom Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie der JGU gelang es, Gold in der sehr ungewöhnlichen Oxidationsstufe + II zu isolieren und zu untersuchen. Dadurch werden die fehlenden Glieder in der homologen Sequenz der Münzmetallionen Kupfer (+ II), Silber (+ II), Gold (+ II) und im “relativistischen” Triplett von Platin (+ II), Gold (+ II ) und Quecksilber (+ II). “Bisher unbekannte fundamentale Daten wie Ionengröße, bevorzugte strukturelle Anordnung und die Reaktivität von Gold (+ II) werden nun zur Verfügung gestellt”, erklärte Sebastian Preiß, Doktorand in Heinzes Team, der als erster Forscher erfolgreich den Gold (+ II)-Komplex in seiner reinsten Form isolieren konnte. Die Ergebnisse der Forschung wurden in der Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht.

Die Forscher stabilisierten erfolgreich das hoch instabile Gold (+ II)-Ion, indem sie ein sogenanntes Porphyrin verwendeten, um das Gold (+ II) -Ion zu umschließen. Der Porphyrin-Makrocyclus befindet sich zusammen mit Magnesium- oder Eisenionen in der Mitte in Chlorophyll, dem grünen Pigment in Pflanzen und in Hämoglobin, dem roten Pigment im Blut. Porphyrin hat Gold (+ II) in seinem Zentrum und hemmt dadurch die üblichen Reaktionswege von Gold (+ II), d. h. die Synthese von polynukleären Verbindungen oder die Umwandlung in das hochstabile Gold (+ I) und Gold (+ III) Komplexe.

Damit war es erstmals möglich, diese einzigartige Klasse von stabilen und einkernigen Gold (+ II) -Komplexen zu untersuchen und umfassend zu beschreiben.

Faszinierend ist, dass die Anordnung der vier dem Gold (+ II) -Ion benachbarten Atome nicht quadratisch-planar ist, in dem die Atome in gleichen Abständen vom Goldatom positioniert sind, wie es in den entsprechenden Strukturen von Kupfer (+ II) der Fall ist. Silber (+ II), Platin (+ II) und Quecksilber (+ II) weist im Gegensatz dazu die Struktur eine rhombische Verzerrung mit zwei langen und zwei kurzen Abständen auf. Technisch gesehen könnte dieses Phänomen, das früher für die Gold (+ II) -Ionen nicht beobachtet wurde, auf einen Jahn-Teller-Effekt zweiten Grades zurückzuführen sein, der durch die relativistischen Eigenschaften von Gold hervorgerufen wird.

Aufgrund der Tatsache, dass die neue Gold (+ II) -Verbindung aus dem Gold (+ III) -Komplex hergestellt werden kann, der in starken Antikrebsmitteln existiert, versuchten die Wissenschaftler herauszufinden, ob das Gold (+ II) -Porphyrin auch eine lebenswichtige Rolle in biologischen Systemen spielt. Sie fanden heraus, dass der Gold (+ II) -Komplex unter praktisch physiologischen Bedingungen aus einem cytostatischen Gold (+ III) -Agens hergestellt werden kann. Die Exposition gegenüber Luftsauerstoff bewirkt, dass das Gold (+ II) -Porphyrin reaktive Sauerstoffspezies (ROS) bildet, die offensichtlich eine Apoptose, d. h. einen programmierten Zelltod, verursachen.

Die Forscher haben also eine plausible Funktionskette, die mit einem Zytostatikum beginnt und zum gezielten Zelltod führt, wobei das Gold (+ II) -Porphyrin als wichtiges Glied in der Kette fungiert. Ein wichtiger Anstoß für die Fortsetzung der Forschung in diesem Bereich ist, dass die Forscher durch die neugiergetriebene Grundlagenforschung zu ungewöhnlichen Arten Erkenntnisse gewinnen konnten, die nicht nur für medizinische Anwendungen relevant sein könnten.

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