Saubere Chemie mit Schwämmen aus Gold

Bremen/Livermore (USA ) - Hohe Ausbeute, geringer Energieeinsatz, keine störenden Nebenprodukte – poröse Schwämme aus purem Gold können diese Anforderungen an einen Katalysator hervorragend erfüllen. Zu diesem Ergebnis kommen deutsche und amerikanische Wissenschaftler, die mit dem neuen Katalysator einen alternativen Syntheseweg für Methylformiat gefunden haben. Methylformiat, auch Ameisensäuremethylester genannt, ist das wichtigste Vorprodukt für die Synthese von Ameisensäure und wird auch als umweltfreundliches Aufschäum- und Lösungsmittel verwendet. Über ihre Entdeckung berichten sie in der Zeitschrift "Science".

"Die nanoporöse Struktur des Materials ist homogen von der Oberfläche bis ins Innere und zugleich durchlässig für die Reaktionsstoffe", berichten Arne Wittstock von der Universität Bremen und seine Kollegen von der Harvard University und dem Lawrence Livermore Laboratory. Obwohl Gold als effizienter Katalysator viele chemische Reaktionen unterstützen kann, sind die Ergebnisse mit nanoporösem Gold bisher einzigartig. Schon bei Raumtemperatur vermag dieser Katalysator Methanol mit Luftsauerstoff oxidieren zu lassen. Dabei entsteht ausschließlich das gewünschte Endprodukt Methylformiat. Mit höheren Reaktionstemperaturen lässt sich die Ausbeute von 10 auf 60 Prozent steigern. Dabei sinkt die Reinheit des Endprodukts lediglich auf 97 Prozent. Der Vorteil einer solch hohen Selektivität: kostspielige Reinigungsprozesse nach der Synthese erübrigen sich.

Für die Herstellung der nanoporösen Goldschwämme gingen die Forscher von einer Silbergold-Legierung aus, aus denen der Silberanteil ausgewaschen wurde. Zurück blieb eine selbsttragende Netzstruktur mit Poren in der Größenordnung einiger zehn Nanometer. Diese Hohlräume nehmen insgesamt etwa 70 Prozent der Schwammstruktur ein und bieten dadurch verhältnismäßig große Oberflächenareale für die katalytische Oxidation von Methanol.

Am Bremer Institut für Angewandte und Physikalische Chemie untersuchten Wittstock und Kollegen die Katalyse-Reaktion genauer. Noch enthaltene Spuren von Silber unterstützen die Spaltung von Sauerstoff-Molekülen, die darauf an der Goldoberfläche andocken können. Dieser Sauerstoff an der Katalysator-Oberfläche aktiviert am Beginn der selektiven Oxidation die Methanolmoleküle und bindet sie als Methoxygruppen. Eine darauf folgende Abtrennung von Wasserstoff-Ionen (Protonen) führt zur Zwischenstufe Aldehyd. Diese Aldehyde bilden darauf mit weiteren Methoxygruppen das gewünschte Endprodukt Methylformiat.

Da bei dieser Reaktion kaum störende Nebenprodukte entstehen, empfiehlt sich nanoporöses Gold als umweltfreundlicher Katalysator. Claus Hviid Christensen von der renommierten dänischen Katalysator-Firma Haldor Topsøe und Jens K. Nørskov von der Technischen Universität von Dänemark in Lyngby äußern sich in einem begleitenden Kommentar von den Bremer Ergebnissen beeindruckt: "Möglicherweise werden diese Ergebnisse 'grüne' Goldkatalysatoren näher an industrielle Anwendungen führen."