Prof. Dr. Robert Schlögl
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Chemie . Materialwissenschaften
Nanoröhrchen vermitteln chemische Partnerschaften
30. März 2012
Text: Stefan Albus
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Stellen Sie sich vor: Sie stehen auf dem Berliner Fernsehturm. Millionen Menschen bewegen sich in der Stadt zu Ihren Füßen, kaufen ein, besichtigen den Reichstag, erledigen Dinge. Der Haken: Es herrscht dichter Nebel – Sie wissen das alles nur von Boten, die ab und zu bei Ihnen anklopfen. Und noch etwas ist seltsam: Ihre Gewährsleute erzählen Ihnen, dass manchmal Menschen die Stadt als Ehepaar verlassen, die zuvor als Singles gekommen waren. Andere kommen als Paar und sind geschiedene Leute, wenn sie sich in den ICE gen Heimat schwingen. Sie schließen: Unter den Millionen, die da unten herumwuseln, muss es eine Hand voll sehr fleißiger Standesbeamter geben. Ihr Job: Finden Sie heraus, welche genau das sind.
Verrückte Idee? Nicht ganz. Denn diese Herausforderung ist der nicht unähnlich, vor der Robert Schlögl, Direktor des Berliner Fritz Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft mit seinem Team vor einigen Jahren stand. Genau genommen war Schlögls Job sogar noch ein Stück schwieriger. Und alles andere als verrückt: Sondern sogar von ganz erheblichem Interesse für die chemische Industrie. „Es ging um die Synthese von Styrol“, erläutert der Professor in einem sonnigen Büro im Labor-Hochhaus des Instituts. „Styrol ist unter anderem ein außerordentlich wichtiger Baustein von Kunststoffen wie Polystyrol und ABS. Daher benötigt die Industrie jedes Jahr rund 20 Millionen Tonnen dieses Monomers – das ist richtig viel.“
Um diese 20 Millionen Tonnen Styrol in ihre Reaktoren pumpen zu können, nehmen Chemie-Ingenieure weltweit einiges auf sich. Die wichtigste Route zu diesem Polymerbaustein läuft über eine Substanz namens Ethylbenzol, dem die Ingenieure mit Hilfe eines hochgezüchteten Prozesses zwei Wasserstoffatome abzwicken.
In der Praxis läuft das natürlich nicht so einfach. Denn von selbst gibt das Ethylbenzol seine Wasserstoffatome nicht her. Dazu braucht es einen sogenannten Katalysator. Also eine Verbindung, die feste chemische Bindungen lockert, Sauerstoff herbeiwinkt und am Ende eines komplexen Prozesses H- und O-Atome miteinander vermählt, ohne sich dabei selbst zu verändern – eine Art molekularen Standesbeamten also.
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Detektivleistung im Labor: Robert Schlögl und seine Mitarbeiter haben in mühevoller Kleinarbeit aufgedeckt, wie das katalytische Zentrum der Dehydrierung aussieht. Dabei widerlegten sie manche Lehrbuchmeinung.
Bei der oxidativen Dehydrierung machen diese Arbeit in der Regel Metalloxide, von denen man hier nur wissen muss, dass sie sehr empfindlich sind. Sie drohen im heißen Ethylbenzol-Strom nämlich ständig zu verkoken. Probates Mittel dagegen: heißer Wasserdampf. Und zwar viel Wasserdampf: Pro Tonne Styrol müssen Ingenieure nicht weniger als zehn Tonnen Wasser erhitzen, verdampfen, über den Katalysator pusten und anschließend wieder kühlen und abregnen lassen. „Dieser Prozess kostet sehr viel Energie und damit letztlich Kohlendioxid“, beschreibt Schlögl seine Intention. „Daher wollten wir herausfinden, ob man ihn nicht vereinfachen kann. Dazu haben wir uns zunächst den Katalysator näher angesehen.“
Gesagt, getan – und die erste Sensation erlebt: Schlögl und seine Mitarbeiter fanden heraus, dass gar nicht das empfindliche Metalloxid das Ethylbenzol in Styrol verwandelt. Sondern eine hauchdünne Schicht aus Kohlenstoff, die sich in den ersten Minuten der Reaktion auf dem Katalysator ablagert wie Ruß auf einer Kaminwand.
Metallfreie Katalysatoren hätten viele Vorteile
Für die Chemiker eine faustdicke Überraschung: „Das habe ich jahrelang nicht geglaubt“, gesteht Schlögl. „Wir haben zunächst sogar versucht, das zu widerlegen. Zu erkennen, dass nicht das Metalloxid, sondern tatsächlich der Kohlenstoff die entscheidende Rolle in diesem Prozess spielte, das war für mich einer der entscheidenden Aha-Erlebnis meiner Karriere!“ Ein Aha-Erlebnis, das mit einer ganz neuen Chance verbunden war: Wenn Kohlenstoff die Arbeit macht, braucht man dann den empfindlichen Metall-Katalysator darunter überhaupt noch? Tut es nicht auch Kohlenstoff allein? Und kann man auch in anderen Katalysatoren auf Metalle verzichten?
Katalysatoren, die ohne Metalle auskommen, wären in vielen Fällen vorteilhaft. Denn wie im Fall der Styrolproduktion arbeiten viele metallhaltige Katalysatoren nur mit hohem Energieaufwand, andere wie etwa die Katalysatoren der elektrolytischen Wasserstoffproduktion bestehen aus teuren Edelmetallen. Um Energie effizienter zu nutzen und neue Energieträger zu erschließen, wären metallfreie Katalysatoren daher hilfreich.
