Nichtedelmetalle als Ersatz für Edelmetalle in der Katalyse
NEMKAT erforscht den Ersatz von Edelmetallen durch Nichtedelmetalle in der homogenen Katalyse. Der Fokus liegt auf Anwendungen in der Pharma- und Feinchemie. Dadurch sollen kritische Rohstoffe eingespart und Umweltbelastungen reduziert werden.
Das Verbundprojekt adressiert eine zentrale Herausforderung der pharmazeutischen und chemischen Industrie: die starke Abhängigkeit von Platingruppenmetallen (PGM), die überwiegend aus politisch und wirtschaftlich unsicheren Regionen importiert werden.
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Portfolios leistungsfähiger nicht-PGM-basierter Homogenkatalysatoren, welche PGM in wichtigen Reaktionsklassen der pharmazeutischen Synthese ersetzen können. Hierzu werden Nickel-, Kupfer-, Kobalt- und Mangan-Katalysatoren systematisch für eine breite Palette relevanter Reaktionen gescreent, weiterentwickelt und in skalierbaren Herstellprozessen bereitgestellt.
Das Projekt vereint Expertise aus Industrie, akademischer Forschung und Prozessentwicklung. Umicore übernimmt als Koordinator die Projektleitung, die Entwicklung und Herstellung von Vor- und Zwischenprodukten sowie sicherheitstechnische Untersuchungen und analytische Charakterisierung. Die Ruhr-Universität Bochum entwickelt katalytische Vorstufen, Liganden und führt Screening- sowie katalytische Optimierungsarbeiten durch.
Darüber hinaus trägt NEMKAT zur Substitution kritischer Rohstoffe, zur Verbesserung der CO2-Bilanz und zur Reduktion potenzieller Umweltbelastungen bei. Das Projekt setzt außerdem auf Digitalisierung nach FAIR-Prinzipien, um Katalysatordaten interoperabel und nachhaltig nutzbar zu machen.
Durch die enge Zusammenarbeit aller Partner soll eine technologische Grundlage geschaffen werden, die den großtechnischen Einsatz von Nichtedelmetall-Katalysatoren in der pharmazeutischen und chemischen Industrie signifikant voranbringt.
Im Rahmen des Projekts übernimmt die Ruhr-Universität Bochum (Prof. Dr. Lukas Gooßen und Prof. Dr. Viktoria Däschlein-Gessner) die Entwicklung, Optimierung und datenbasierte Weiterentwicklung neuartiger Nickelkatalysatoren. Dabei erfolgt die modellgestützte Katalysatorentwicklung unter Einsatz maschineller Lernverfahren. Auf dieser Basis werden geeignete Nickel-Präkursoren identifiziert, potenzielle Katalysatorvorstufen ausgewählt und passende Ligandensysteme definiert. Die ausgewählten Komponenten werden synthetisch umgesetzt und zu einer strukturell diversifizierten Katalysatorbibliothek zusammengeführt. Die so entwickelten Nickelsysteme werden hinsichtlich Aktivität, Selektivität und Anwendungsbreite mit etablierten Palladiumkatalysatoren verglichen. Parallel wird ein Konzept zur gezielten Katalysatoraktivierung entwickelt und experimentell validiert.
Parallel erfolgt ein systematisches Screening der Katalysatoren in geeigneten Modellreaktionen. Ziel ist die Identifizierung leistungsfähiger Systeme sowie deren gezielte Optimierung. Hierzu werden automatisierte Versuchsabläufe etabliert, um reproduzierbare und effiziente Screening-Prozesse zu gewährleisten. Ein Schwerpunkt liegt auf der Analyse von Struktur-Aktivitäts-Beziehungen, um die molekularen Determinanten der katalytischen Leistung zu verstehen. Die gewonnenen experimentellen Daten fließen iterativ in KI-gestützte Modelle ein, die zur Vorhersage und gezielten Verbesserung weiterer Katalysatorstrukturen genutzt werden.
Alle im Projekt generierten katalytischen Daten werden an der RUB strukturiert erfasst, und digitalisiert. Eine Anbindung an bestehende Forschungsdateninfrastrukturen, insbesondere NFDI4Cat und Material-Digital, stellt die Interoperabilität und langfristige Nachnutzbarkeit sicher.
