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Der neue Katalysator ist darauf ausgelegt, funktionelle Gruppen in aliphatische Kohlenwasserstoffe einzubringen. Aliphatische Kohlenwasserstoffe sind organische Verbindungen, die nur aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehen. Sie vermischen sich in der Regel nicht mit Wasser und bilden stattdessen unterschiedliche Schichten, zum Teil weil sie keine funktionellen Gruppen enthalten. Funktionelle Gruppen sind spezifische Gruppierungen von Atomen in Molek\u00fclen, die einzigartige Eigenschaften haben. Wenn man diesen Kohlenwasserstoffketten funktionelle Gruppen hinzuf\u00fcgt, kann man ihre Eigenschaften drastisch ver\u00e4ndern und die Materialien recycelbar machen.<\/p>\n\n\n\n
“Methan in Erdgas ist der einfachste Kohlenwasserstoff, der nur aus Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen (CH) besteht. \u00d6le und Polymere haben Ketten von Kohlenstoffatomen, die durch Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen (CC) verbunden sind”, erkl\u00e4rt Sadow.<\/p>\n\n\n\n
Aliphatische Kohlenwasserstoffe machen einen Gro\u00dfteil des Erd\u00f6ls und der raffinierten Erd\u00f6lprodukte aus, z. B. Kunststoffe und Motor\u00f6le. Diese Materialien haben keine anderen funktionellen Gruppen, was bedeutet, dass sie nicht leicht biologisch abbaubar sind”, sagte Sadow. “Daher ist es seit langem ein Ziel im Bereich der Katalyse, diese Art von Materialien zu nehmen und andere Atome, wie Sauerstoff, hinzuzuf\u00fcgen oder neue Strukturen aus diesen einfachen Chemikalien aufzubauen.<\/p>\n\n\n\n
Leider erfordert der herk\u00f6mmliche Weg, Kohlenwasserstoffketten Atome hinzuzuf\u00fcgen, einen erheblichen Energieaufwand. Zun\u00e4chst wird Erd\u00f6l mit Hitze und Druck in kleine Bausteine “gecrackt”. Anschlie\u00dfend werden diese Bausteine zum Aufbau von Ketten verwendet. Schlie\u00dflich werden die gew\u00fcnschten Atome am Ende der Ketten hinzugef\u00fcgt. Bei diesem neuen Ansatz werden vorhandene aliphatische Kohlenwasserstoffe direkt ohne Cracken und bei niedriger Temperatur umgewandelt.<\/p>\n\n\n\n
Schadows Team verwendete zuvor einen Katalysator, um die CC-Bindungen in diesen Kohlenwasserstoffketten zu brechen, und f\u00fcgte gleichzeitig Aluminium an die Enden der kleineren Ketten an. Anschlie\u00dfend f\u00fcgten sie Sauerstoff oder andere Atome ein, um funktionelle Gruppen einzuf\u00fchren. Um einen erg\u00e4nzenden Prozess zu entwickeln, fand das Team einen Weg, den Schritt des CC-Bindungsbruchs zu vermeiden. “Je nach der Kettenl\u00e4nge des Ausgangsmaterials und den gew\u00fcnschten Eigenschaften des Produkts k\u00f6nnten wir die Ketten verk\u00fcrzen oder einfach die funktionelle Sauerstoffgruppe hinzuf\u00fcgen”, sagte Sadow. “Wenn wir die CC-Spaltung vermeiden k\u00f6nnten, k\u00f6nnten wir im Prinzip nur die Ketten vom Katalysator auf Aluminium \u00fcbertragen und dann Luft hinzuf\u00fcgen, um die funktionelle Gruppe zu installieren.”<\/p>\n\n\n\n
Sadow erkl\u00e4rte, dass der Katalysator synthetisiert wird, indem eine handels\u00fcbliche Zirkoniumverbindung auf handels\u00fcbliches Siliziumdioxid-Tonerde aufgebracht wird. Die Substanzen sind allesamt erdverbunden und kosteng\u00fcnstig, was f\u00fcr m\u00f6gliche k\u00fcnftige kommerzielle Anwendungen von Vorteil ist.<\/p>\n\n\n\n
Dar\u00fcber hinaus sind der Katalysator und der Reaktant in Bezug auf Nachhaltigkeit und Kosten vorteilhaft. Aluminium ist das am h\u00e4ufigsten vorkommende Metall auf der Erde, und der verwendete Aluminiumreaktant wird synthetisiert, ohne dass Abfallprodukte anfallen. Der Katalysatorvorl\u00e4ufer auf Zirkoniumalkoxidbasis ist luftstabil, leicht verf\u00fcgbar und wird im Reaktor aktiviert. “Im Gegensatz zu vielen fr\u00fchen organometallischen Chemikalien, die extrem luftempfindlich sind, ist dieser Katalysatorvorl\u00e4ufer einfach zu handhaben”, so Sadow.<\/p>\n\n\n\n
Diese Chemie ist ein Schritt in Richtung der Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften einer Vielzahl von Kunststoffen, wie z. B. deren Festigkeit und F\u00e4rbbarkeit. “Je weiter wir die Katalyse entwickeln, desto mehr funktionelle Gruppen werden wir einbauen k\u00f6nnen, um die physikalischen Eigenschaften der Polymere zu beeinflussen”, so Sadow.<\/p>\n\n\n\n
Sadow f\u00fchrte den Erfolg dieses Projekts auf die Zusammenarbeit im Rahmen von iCOUP zur\u00fcck. Perras’ Gruppe am Ames National Laboratory untersuchte Katalysatorstrukturen mit Hilfe der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR). Die Gruppen von Coates, LaPointe und Delferro von der Cornell University und dem Argonne National Laboratory untersuchten die Polymerstruktur und die physikalischen Eigenschaften. Und die Gruppe von Peters an der University of Illinois modellierte statistisch die Polymerfunktionalisierung. “Die Projekterfolge des Zentrums beruhen auf den Beitr\u00e4gen der Expertise vieler Gruppen”, sagte Sadow. “Diese Arbeit unterstreicht die Vorteile der Teamforschung.”<\/p>\n\n\n\n