Katalysatorer är nyckelmaterial i det moderna samhället, möjliggör selektiv omvandling av råvaror till värdefulla produkter samtidigt som avfallet minskar och energi sparas. Vid industriellt relevanta oxidativa dehydreringsreaktioner, de flesta kända katalysatorsystem är baserade på övergångsmetaller som järn, vanadin, molybden eller silver. På grund av inneboende nackdelar i samband med användningen av övergångsmetaller, som sällsynta händelser, miljöskadliga gruvprocesser, och toxicitet, det faktum att rent kol uppvisar katalytisk aktivitet i denna typ av reaktion och därmed har hög potential som ett hållbart substitutionsmaterial är av stort intresse.

Hittills, utvecklingen av kolbaserade katalysatorer för oxidativa dehydreringsreaktioner kan delas in i två generationer. Den första generationen av kolkatalysatorer inspirerades av upptäckten av den katalytiska aktiviteten hos koksavlagringar på metallbaserade katalysatorer för oxidativ dehydrering. Senare, huvudsakligen amorfa kolmaterial såsom aktivt kol eller kimrök undersöktes. Även om dessa tidiga katalysatorer uppvisade betydande aktivitet och selektivitet, de led av otillräcklig oxidationsstabilitet och efterträddes senare av den andra generationen kolbaserade dehydreringskatalysatorer representerade av kolnanomaterial, t.ex. kolnanorör. Fördelen med nanokolväten framför de amorfa katalysatorerna från den första generationen härrör främst från deras kristallina mikrostruktur, som å ena sidan är ansvarig för en adekvat oxidationsbeständighet och möjliggör höga redoxaktiviteter å den andra. Eftersom nanokolen saknar inre porositet, dessa aktiva platser är belägna på den yttre ytan, gör dem lättillgängliga för reaktanter. Dock, nanokol uppvisar nackdelar med sådana vid hantering som pulver och fasta bäddar eller oklara hälsorisker och därför väntar de fortfarande på industriell tillämpning som katalytiskt material.

Med tanke på den höga potentialen hos kolkatalysatorer i oxidativa dehydreringsreaktioner, forskargruppen av professor Bastian J. M. Etzold har arbetat i flera år med syntesen av nya klasser av kol i syfte att överföra de utmärkta katalytiska egenskaperna hos nanokolväten till konventionella, lätthanterliga kolmaterial. Redan 2015, det visades att karbidhärledda kol i princip kan användas för att uppnå liknande katalytiska egenskaper som kolnanomaterial. Dock, eftersom karbidhärledda kol bara är modellmaterial för forskningsändamål på grund av sin komplexa syntes, det grundläggande forskningsmålet att utveckla en skalbar och reproducerbar syntetisk väg till tekniskt användbara kolkatalysatorer kvarstod. I samarbete med professor Wei Qi från Shenyang National Laboratory of Material Science i Shenyang, PR Kina, samt professor Jan Philipp Hofmann från Surface Science Laboratory vid TU Darmstadt, Felix Herold, en Ph.D. student i Etzoldgruppen, har nu lyckats syntetisera en ny generation kolkatalysatorer som är överlägsen nanokol i många avseenden.

Syntesen av de nya kolkatalysatorerna är baserad på polymera kolprekursorer som kan framställas genom en reproducerbar och lätt skalbar syntetisk väg samtidigt som den ger utmärkt kontroll av morfologin hos det efterföljande kolet. Genom att använda katalytisk grafitisering, det visades att under pyrolys av polymerprekursorn, Nanoskala grafitkristalliter kunde odlas i kolmatrisen. Grundläggande i detta sammanhang verkar vara närvaron av stora konjugerade (grafitiska) domäner som kännetecknas av en hög täthet av defekta platser, där syreytgrupper, såsom ketoniska karbonylgrupper, skapas under reaktionen. Aktiviteten hos dessa ytgrupper verkar ökas genom de angränsande konjugerade (grafitiska) domänerna, som kan fungera som elektronlagring. Katalytisk grafitisering ger ett amorft/grafitiskt hybridmaterial bestående av tidigare odlade grafitkristalliter omgivna av en amorf kolmatris. För att erhålla en aktiv dehydreringskatalysator, den amorfa kolmatrisen avlägsnas genom selektiv oxidation, öppnar kolmaterialets porstruktur och ger åtkomst till de katalytiskt aktiva grafitdomänerna.

Den oxidativa dehydreringen av etanol valdes som en testreaktion av stort praktiskt intresse eftersom den ger en katalytisk koppling mellan bioetanol, som lätt kan erhållas från förnybara resurser, och acetaldehyd, en viktig mellanprodukt i nuvarande industriell kemi. Jämfört med en benchmark-kolnanorörskatalysator, upp till 10 gånger högre rum-tid-utbyten kan uppnås med den nya klassen av kolmaterial.

De nya kolkatalysatorerna som presenteras i detta arbete är av stor betydelse, när de öppnar dörren till en ny klass av material, vars potential ännu inte har utvärderats på grund av flera optimeringsmöjligheter för den flexibla syntetiska vägen. Förutom användningen av den nya klassen av kolkatalysatorer vid oxidativ dehydrering av andra relevanta substrat, såsom alkaner och andra alkoholer, Det förväntas också att tillämpningsområdet kommer att utvidgas till elektro- och fotokatalys.