Ultrasound-driven formation of porous metals for catalysis

Vom Bösewicht zum Freund und Helfer. Kavitation wurde u.a. von Lord Rayleigh im 19. Jahrhundert dafür verantwortlich gemacht, die Schiffsschrauben bei zu hoher Geschwindigkeit zu zerstören. Diese zerstörerische Eigenschaft wurde für diese Arbeit herangezogen, um poröse Metalle herzustellen. Die Faszination von porösen Materialen liegt in der Vielfalt ihrer Anwendungen. Ihr Einsatz hat sich in den letzten Jahren immer weiter verbreitet, angefangen bei Katzenstreu bis hin zu hoch komplexen Katalysatoren. Jedoch gestaltet sich die Herstellung dieser porösen Materialien schwierig. Diese ist z.T. kostenaufwendig und mit viel Abfall verbunden und stellt daher eine Herausforderung dar. Genau hier setzt diese Arbeit an. Kavitation, die mittels hoch intensiven Ultraschalls erzeugt wird, macht aus den eingesetzten pulvrigen Metallen poröse Materialen. In dieser Arbeit wurde zuerst untersucht, welche Parameter Einfluss auf die Modifizierung der Metallpulver haben. Die Hauptrolle spielen hierbei der Schmelzpunkt und die Oxidationsfähigkeit des Metalls, sowie die Dauer und Intensität der Ultraschallbehandlung. Während der Implosion der Kavitationsblase kommt es, nach der „Hot-Spot Theorie“, zu Temperaturen von 5000 K und Drücken bis zu 500 bar, sowie der thermolytischen Spaltung von Wasser. Diese Einflüsse sorgen dafür, dass das Metall aufgesprengt und aufgeschmolzen wird und die neu entstandene Struktur anschließend mit einer Oxidschicht stabilisiert wird. Nach vielfältigen Vorversuchen mit unterschiedlichen Metallen wurde der Fokus auf das Metall Aluminium gelegt. Mittels Ultraschall wurde in Wasser poröses Aluminium hergestellt, welches im nächsten Arbeitsschritt als Matrix für die Einbringung von Platin-Nanopartikeln durch Ultraschall verwendet wurde. Diese katalytisch hochaktiven Nanopartikel wurden dann für die Reduktion von Ferricyanid mit Thiosulfat verwendet. Nanopartikel anderer Metalle, wie Silber und Gold, können mit dieser Methode ebenso in die poröse Aluminium-Matrix ebenfalls eingelagert werden. Die Ultraschallmethode ermöglicht demzufolge die schnelle und saubere Herstellung heterogener Katalysatoren. Aus dieser Erkenntnis heraus wurde nun eine handelsübliche Aluminium/Nickel-Legierung in Pulverform ebenfalls mit hoch intensivem Ultraschall behandelt. Die spezifische Oberfläche, dieser ca. 10 µm großen Partikel, konnte durch 50 minütige Ultraschallbehandlung bei 140 W cm-2 um das 625 fache auf 120 m2 g-1 gesteigert werden. Diese poröse Metalllegierung ist ein hervorragender heterogener Katalysator für die Hydrierung von Acetophenon. Im Gegensatz zum konventionellen, durch chemisches Dealloying, hergestelltes „Raney®-Nickel“, ist dieses Material nicht pyrophor. Aufbauend auf den positiven Erfahrungen mit der Al/Ni-Legierung wurde eine Aluminum/Kupfer-Legierung im eigenen Labor hergestellt. Diese wurde durch Ultraschallbehandlung porös und katalytisch aktiv. Diese neue poröse Al/Cu-Legierung stellte sich als weitaus effektiverer Katalysator für die Dehydrierung von Propan heraus, als die üblicherweise eingesetzten, sehr teuren Pt-Sn/Al2O3-Katalysatoren. Abgesehen von geringeren Materialkosten, ist auch die Reaktionstemperatur um 200 °C niedriger als bei den zuvor genannten Pt-Sn/Al2O3-Katalysatoren. Diese neuartige poröse Al/Cu-Legierung wurde anschließend zur Synthese von Propargylaminen eingesetzt. Die innovative “A3 Kupplungsreaktion” wurde angewendet, um ein Alkin, ein Aldehyd und ein Amin zusammen zu kuppeln. Diese Reaktion läuft üblicherweise durch Katalyse an homogenen Goldsalzen, Organogold-Komplexen oder Silbersalzen ab. Diese homogenen Katalysatoren sind jedoch teuer und schwierig zu separieren. Das Ergebnis ist, dass auch hier die günstig hergestellten porösen, katalytisch aktiven Al/Cu Pulver, den Standardkatalysatoren Konkurrenz machen. Abschließend wurde der Fokus auf die Herstellung von Zink-Katalysatoren für die Photokatalyse gelegt. Zink wurde mittels Ultraschall behandelt. Es oxidiert und formt dabei igelförmige Kern-Schale-Strukturen mit einer großen Oberfläche, die katalytisch aktiv ist. Die Anwendung von hoch intensivem Ultraschall in Wasser, in Verbindung mit pulverförmigen Metallen und Metalllegierungen, ergibt eine ressourcenschonende Methode. Diese ermöglicht es in einem Einschrittverfahren katalytisch höchst aktive und stabile Katalysatoren herzustellen. Diese innovative Methode öffnet die Tür für die Herstellung vieler weiterer heterogener Katalysatoren.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Bayreuth

Year

2015

Author dc:creator

• Dulle, Jana

Contributors dc:contributor

• Andreeva- Bäumler, Daria

Repository record source_url

https://epub.uni-bayreuth.de/id/eprint/2546/

OAI identifier oai:identifier

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