mini|Schritte der heterogenen Katalyse Katalyse (von )Wilhelm Gemoll: Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch. München / Wien 1965. bezeichnet die Änderung der Kinetik einer chemischen Reaktion mittels eines Katalysators mit dem Ziel, sie überhaupt erst in Gang zu bringen, sie zu beschleunigen oder die Selektivität in eine favorisierte Richtung zu lenken. In der lebenden Zelle spielen Enzyme, die biochemische Prozesse katalysieren, eine fundamentale Rolle im Stoffwechsel von der Verdauung bis hin zur Reproduktion und Transkription der Erbinformation. Im Umweltbereich haben sowohl natürlich ablaufende katalytische Prozesse wie die Bildung von Smog eine große Bedeutung als auch die katalytische Reduzierung von Schadstoffen im Automobil- und Kraftwerksbereich. Neue Systeme zur Energiewandlung und -speicherung wie die Brennstoffzelle basieren auf katalytischen Prozessen. Obwohl der Begriff ursprünglich aus der Chemie stammt, wird er teilweise auch für kernphysikalische Prozesse verwendet, die auf ähnlichen Mechanismen basieren. Exemplarisch sei hier die Myonen-katalysierte Kernfusion genannt.
Die Wertschöpfung durch Katalyse in der chemischen Industrie ist von erheblicher volkswirtschaftlicher Bedeutung, da über 80 % aller Chemieerzeugnisse mit Hilfe katalytischer Prozesse hergestellt werden. Durch deren Optimierung kann der Energie- und Ressourcenaufwand entscheidend verringert werden. Weltweit betrug 2007 der Umsatz für Katalysatoren circa 16 Milliarden US-Dollar, wovon über 90 % mit Katalysatoren für heterogen katalysierte Prozesse erwirtschaftet wurden.
Geschichte Erste Entdeckungen Als erste vom Menschen angewandte katalytische technische Prozesse gelten die Alkoholvergärung aus Zucker, von den Sumerern in Mesopotamien bereits 6000 vor Christus angewendet, sowie die Essigsäureherstellung aus Alkohol mit Hilfe von katalytisch wirkenden Enzymen. Nach diesen frühen Anfängen fand erst im 18. und frühen 19. Jahrhundert die Entdeckung einer ganzen Reihe von neuen katalytischen Reaktionen statt. So entdeckte Antoine-Augustin Parmentier 1781 die Stärkespaltung zu Zucker unter Säurekatalyse. Nur ein Jahr später entdeckte Carl Wilhelm Scheele 1782 die säurekatalysierte Veresterung von Alkoholen und Säure zu Estern und kurz darauf Joseph Priestley 1783 den Zerfall von Ethanol zu Ethylen und Wasser an Tonerde.
Als erstes Verfahren zur technischen Herstellung einer Grundchemikalie wurde von Desormes und Clement im Jahr 1806 das Bleikammerverfahren zur Herstellung von Schwefelsäure entwickelt, bei dem Stickoxide die Oxidation des Schwefeldioxids katalysieren.Dirk Steinborn: Grundlagen der metallorganischen Komplexkatalyse. Springer-Verlag, 2007, ISBN 978-3-8351-0088-6 (). Berthollet entdeckte den Ammoniakzerfall zu Stickstoff und Wasserstoff an Eisenkatalysatoren, 1818 Thénard den Zerfall von Wasserstoffperoxid an Silber, Silberoxid und Mangandioxid. Die von Döbereiner 1823 gefundene Entzündung von Wasserstoff an Platin führte zur Entwicklung des Döbereiner-Feuerzeugs, das in relativ großen Stückzahlen hergestellt wurde und bis Mitte des 19. Jahrhunderts Verwendung fand. In einem Brief an Johann Wolfgang von Goethe, seinen Dienstvorgesetzten, schrieb Döbereiner über seine Entdeckung: Gnädigster Herr Staatsminister! Ich erlaube mir, Ew. Exzellenz von einer Entdeckung Nachricht zu Geben….daß das rein metallische staubförmige Platin die höchstmerkwürdige Eigenschaft hat, das Wasserstoffgas durch bloße Berührung und ohne alle Mitwirkung äußerer Potenzen zu bestimmen, daß es sich mit Sauerstoffgas zu Wasser verbindet, wobei eine bis zum Entglühen des Platins gesteigerte Summe von Wärme erregt wird.Briefwechsel zwischen Goethe und Johann Wolfgang Döbereiner, 1810–1830, herausgegeben von Julius Schiff. Verlag Böhlau, 1914.
Arbeiten von Berzelius und Ostwald mini|Porträt des schwedischen Mediziners und Chemikers Jöns Jacob Berzelius, Nachdruck eines Stahlstichs Berzelius erkannte 1835 in den obigen Reaktionen die Gemeinsamkeit, dass neben den Edukten und Produkten immer ein weiterer Stoff in der Reaktion notwendig war, der offenbar nicht verbraucht wurde. Er prägte dazu den Begriff Katalyse in Analogie zu Analyse: „… Ich werde sie die katalytische Kraft der Körper, und die Zersetzung durch dieselbe Katalyse nennen. Die katalytische Kraft scheint eigentlich darin zu bestehen, dass Körper ihre blosse Gegenwart, und nicht durch ihre Verwandtschaft, die bei dieser Temperatur schlummernden Verwandtschaften zu erwecken vermögen, so dass zufolge derselben in einen zusammengesetzten Körper die Elemente sich in solche andere Verhältnisse ändern, durch welche eine größere elektrisch-chemische Neutralisierung hervorgebracht wird.“Rutger A. Santen, P. Van Leuwen, J. Moulijn: Catalysis. Elsevier, 2000, ISBN 978-0-444-50593-4 (). mini|Der Chemiker und Nobelpreisträger Wilhelm Ostwald auf einer Porträtfotografie Eine moderne Definition der Katalyse fand Wilhelm Ostwald im Jahr 1894. Diese lautet: Katalyse ist die Beschleunigung eines langsam verlaufenden chemischen Vorgangs durch die Gegenwart eines fremden Stoffes.W. Ostwald: Referat zur Arbeit F. Strohmann: Über den Wärmegehalt der Bestandteile der Nahrungsmittel. In: Z. phys. Chem., 15, 1894, S. 705 f. Später spezifiziert zu: Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne selbst dabei verbraucht zu werden und ohne die endgültige Lage des thermodynamischen Gleichgewichts dieser Reaktion zu verändern. Als Anerkennung für seine Arbeiten über die Katalyse sowie für seine grundlegenden Untersuchungen über chemische Gleichgewichtsverhältnisse und Reaktionsgeschwindigkeiten wurde Ostwald im Jahre 1909 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.
Katalyse in der Nahrungsmittelherstellung Neben der Weiterentwicklung der Schwefelsäureherstellung im Kontaktverfahren als großtechnisches Katalyseverfahren fand die heterogene Katalyse auch Anwendung im Bereich der Nahrungsmittelherstellung. So entdeckte Wilhelm Normann bereits 1901 die Fetthärtung durch katalytische Hydrierung von Ölsäure zu Stearinsäure mit Wasserstoff an fein verteiltem Nickel und damit die Grundlage der großindustriellen Margarineherstellung. 1909 war das Verfahren im großtechnischen Einsatz und in einer Anlage in Warrington in England wurden nach Normanns Verfahren wöchentlich 100 Tonnen Walöl zu Speisefetten verarbeitet.
Schon 1903 arbeitete der französische Chemiker Victor Henri auf dem Gebiet der Enzymkatalyse. Er untersuchte die Spaltung von Saccharose mit Hilfe des Enzyms Saccharase in Glucose und Fructose. Durch die Fortsetzung seiner Arbeiten durch den deutschen Biochemiker Leonor Michaelis und die kanadische Medizinerin Maud Menten gelang 1913 die Formulierung der Michaelis-Menten-Theorie, dem bis heutige gültigen Grundstein der Enzymkinetik. Das Potential der Enzymkatalyse für die ressourcenschonende Herstellung von Feinchemikalien, Arzneimitteln, Vitaminen oder Waschmitteln ist bis heute, über 100 Jahre nach der Entdeckung der Grundlagen, bei weitem nicht ausgeschöpft.Hubert Rehm: Biochemie light. Deutsch, 2008, ISBN 978-3-8171-1819-9, S. 23 ().Jan Koolman: Taschenatlas der Biochemie. Georg Thieme Verlag, 2003, ISBN 978-3-13-759403-1, S. 90 ().
Großindustrielle Prozesse Im frühen 20. Jahrhundert begann die Entwicklung einer Reihe von Verfahren, die bis heute zu den wichtigsten der chemischen Industrie zählen. Haber, Bosch und Mittasch entwickelten 1910 die Ammoniak-Synthese aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff an Eisen-Kontakten, das Haber-Bosch-Verfahren. Wilhelm Ostwald entwickelte das Ostwald-Verfahren der Ammoniak-Oxidation an Platin-Netzen zu Salpetersäure, wodurch der zuvor knappe Nitrat-Dünger im großen Maßstab zur Verfügung stand.
Im Jahr 1913 wurde das erste Wacker-Verfahren zur Herstellung von Acetaldehyd aus Acetylen und Wasser an Quecksilber-Katalysatoren entdeckt. Durch das Fluid Catalytic Cracking an Silica- / Alumina-Katalysatoren wurde Benzin aus höheren Erdölfraktionen zugänglich, später durch das Hydrocracken an Nickel-Katalysatoren.James E. Huheey: Anorganische Chemie. Walter de Gruyter, 2003, ISBN 978-3-11-017903-3, S. 837 ().
Im Jahr 1923 entwickelte Matthias Pier bei der BASF ein katalytisches Hochdruckverfahren zur Synthese von Methanol aus Synthesegas an Zinkoxid-Chromoxid-Katalysatoren. Damit stand eine wichtige Grundchemikalie der industriellen Organischen Chemie zur Verfügung, die in vielen weiteren Verfahren eingesetzt wurde.Werner Abelshauser: Die BASF. C.H.Beck, 2002, ISBN 978-3-406-49526-7, S. 672 (). Fischer und Tropsch erfanden das Fischer-Tropsch-Verfahren, mit dem ab 1925 erstmals aus Kohle gewonnenes Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff an Eisen-Cobalt-Katalysatoren zu Paraffinen und Olefinen umgesetzt wurden. Das Verfahren gewinnt in der heutigen Zeit wieder an Bedeutung, um neben Treibstoffen auch Chemierohstoffe, etwa Olefine, aus anderen Ressourcen als Erdöl zu gewinnen. Etwa zur gleichen Zeit entdeckte Walter Reppe die homogenkatalytische Reaktion von Acetylenen mit verschiedenen Reaktanten unter Nickelkomplexkatalyse zu einem breiten Spektrum von Produkten, die so genannte Reppe-Chemie.
Otto Roelen entdeckte 1938 mit der Hydroformylierung die Herstellung von Aldehyden aus Olefinen, Kohlenmonoxid und Wasserstoff an Cobalt-Katalysatoren, die er bis zum großtechnischen Prozess weiterentwickelte.Boy Cornils, Wolfgang A. Herrmann, Manfred Rasch: Otto Roelen als Wegbereiter der industriellen homogenen Katalyse. In: Angewandte Chemie. 106, 1994, S. 2219–2238. Die Hydroformylierung gilt als erste großtechnische Anwendung homogener Übergangsmetallkatalysatoren. Das ursprüngliche Verfahren Roelens wurde vielfach weiterentwickelt. Heute gilt das Ruhrchemie-Rhone-Poulenc Verfahren, das mit wasserlöslichen homogenen Rhodium-Katalysatoren zur leichteren Abtrennung des Katalysators arbeitet, als Stand der Hydroformylierungstechnik.
Auch auf dem Gebiet der Raffinerietechnologie wurden weitere katalytische Verfahren entwickelt. Durch Katalytisches Reforming von niedrigoktanigen Alkanen an Platin-Zinn- oder Platin-Rhenium / Aluminiumoxid-Kontakten entstanden hochoktanige, aromaten- und isoalkan-reiche Benzine. Das Verfahren stellt bis heute pro Tag mehrere Millionen Liter hochoktaniges Benzin zur Verfügung.
Mit dem von Karl Ziegler am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung entwickelten Niederdruckverfahren, bei dem Ethylen und Propylen an Titan/Aluminium-Katalysatoren zu Polyolefinen umgesetzt werden, wurde die Grundlage für die petrochemische industrielle Massenproduktion von Polymeren gelegt, die das Kunststoffzeitalter einläutete. Ziegler wurde zusammen mit Giulio Natta für diese Arbeiten mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Am MPI in Mülheim an der Ruhr entstanden auch die grundlegenden Arbeiten von Günther Wilke, der die Herstellung von 1,5-Cyclooctadien aus 1,3-Butadien an Nickel-Katalysatoren entdeckte sowie die Arbeiten von Wilhelm Keim zum SHOP-Prozess.Boy Cornils: Aqueous-Phase Organometallic Catalysis. John Wiley & Sons, 2004, ISBN 978-3-527-30712-8, S. 639 ().
Weitere Nobelpreise 500px|mini|Asymmetrische Hydrierung nach Noyori Das Verständnis der Enzymkatalyse und dessen Stereochemie wurde durch die Arbeiten von Cornforth, der dafür mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wurde, erweitert. Neben der Entwicklung der katalytischen Verfahren für Grund- und Zwischenprodukte wurden im Laufe der Jahre auch zahlreiche Verfahren für die Herstellung von Feinchemikalien entwickelt.
So wurden die Arbeiten von William S. Knowles und Ryoji Noyori „für ihre Arbeiten über chiral katalysierende Hydrierungsreaktionen“ sowie die nach Barry Sharpless benannte Epoxidierung mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.