Titansilicalite-1 (TS-1) är ingen ny katalysator:Det har gått nästan 40 år sedan dess utveckling och upptäckten av dess förmåga att omvandla propen till propenoxid, en viktig baskemikalie inom den kemiska industrin. Nu, genom att kombinera olika metoder, ett team av forskare från ETH Zürich, universitetet i Köln, Fritz Haber Institute och BASF har avslöjat den överraskande verkningsmekanismen för denna katalysator. Från Köln, arbetsgruppen för professor dr. Albrecht Berkessel vid institutionen för kemi var involverad. Dessa resultat kommer att hjälpa katalysatorforskningen att ta ett viktigt steg framåt.

Propylenoxid används inom industrin för att tillverka produkter som polyuretaner, frostskyddsmedel och hydraulvätskor. Mer än 11 ​​miljoner ton propylenoxid produceras årligen i den kemiska industrin över hela världen, av vilka 1 miljon ton redan produceras genom oxidation av propen med väteperoxid. Denna kemiska reaktion katalyseras av TS-1, en mikroporös, kristallint material som består av kisel och syre och innehåller små mängder titan. Katalysatorn har använts framgångsrikt i 40 år och experter antog att det aktiva centret i TS-1 innehåller individuella, isolerade titanatomer som säkerställer katalysatorns speciella reaktivitet.

Ett team av forskare från ETH Zürich, universitetet i Köln, Fritz Haber Institute och BASF ifrågasatte detta antagande. "Under de senaste åren har tvivel har uppstått om huruvida antagandet om verkningsmekanismen är korrekt, eftersom den i första hand bygger på analogier med jämförbara katalysatorer och mindre på experimentella bevis. Men om du försöker optimera en katalysator på grundval av ett felaktigt antagande, det är väldigt svårt och kan leda dig åt helt fel håll. Det var därför viktigt att undersöka detta antagande närmare, " förklarar BASF-forskaren Dr Henrique Teles, en av medförfattarna till den vetenskapliga publikationen, utgångspunkten för samarbetet.

I en studie som nu publicerats i Natur , laget kunde, genom att använda solid-state NMR-studier och datormodellering, att visa att två angränsande titanatomer är nödvändiga för att förklara den speciella katalytiska aktiviteten. Detta fick i sin tur forskargruppen att dra slutsatsen att titanatomerna inte är isolerade utan snarare består det katalytiskt aktiva centret av ett titanpar. "Ingen av metoderna vi använde i studien är i grunden ny, men ingen av forskargrupperna som var inblandade i studien kunde ha utfört undersökningen på egen hand, " betonar professor Christophe Copéret från ETH Zürich, publikationens korrespondensförfattare. "Endast kombinationen av olika expertområden och olika tekniker gjorde det möjligt att närmare undersöka katalysatorns aktiva centrum."

"Vi har arbetat i många år för att klargöra reaktionsmekanismen för en homogen titankatalysator och fann att - i motsats till antagandena i litteraturen - aktiveras väteperoxiden av ett titaniumpar. Det var verkligen ett speciellt ögonblick när vi såg i aktuell studie att resultaten från homogen katalys även gäller heterogen katalys, " sa medförfattaren Prof. Albrecht Berkessel från universitetet i Köln. Och Dr. Thomas Lunkenbein, medförfattare från Fritz Haber Institute i Berlin, tillägger:"Vi är mycket glada över att vi kunde ge ett bidrag till denna studie. Med vår analys, vi kunde underbygga slutsatserna. Kunskapen om ett diatomiskt aktivt centrum är av grundläggande betydelse och öppnar nya möjligheter inom katalysatorforskning."

Teamet är övertygat om att resultaten av denna studie inte bara kommer att bidra till att förbättra befintliga katalysatorer, men också att utveckla nya homogena och heterogena katalysatorer.