In situ-Quantifizierung von Reaktionsadsorbaten

Bei Niedertemperatur-Methanolsynthese mit Hochleistungs-Cu/ZnO:Al-Katalysator

Obwohl das industrielle Niedertemperaturverfahren seit 50 Jahren angewendet wird, sind In-situ-Daten unter relevanten Bedingungen selten verfügbar. Forscher vom Fritz-Haber-Institut de Max-Planck-Gesellschaft, Berlin (FHI), und des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion (CEC) in Mülheim/Ruhr stellen diese Daten jetzt zur Verfügung und können damit die Aktivität von Katalysatoren messen und vergleichen, sowie wissenschaftliche Aussagen darüber machen, wie gut ein Katalysator ist.

In einem Artikel in ACS Catalysis (“In Situ Quantification of Reaction Adsorbates in Low-Temperature Methanol Synthesis on a High-Performance Cu/ZnO:Al Catalyst” –  deutsch: “In situ Quantifizierung von Reaktionsadsorbaten bei der Niedertemperatur-Methanolsynthese mit einem Hochleistungs-Cu/ZnO:Al-Katalysator”) berichten sie über die in situ-Quantifizierung der unter industriell relevanten Bedingungen vorliegenden Oberflächenadsorbate durch Hochdruck-Thermogravimetrie. Darüber hinaus wird die Hochdruck-IR-Spektroskopie zur Identifizierung von kohlenstoffbasierten Adsorbaten eingesetzt. An einem Hochleistungs-Cu/ZnO:Al-Katalysator konnte gezeigt werden, dass bei der CO2-Hydrierung Adsorbate von bis zu 1,9 % des Katalysators reversibel akkumuliert werden und 70% der Ad-Schicht aus H2O-basierten Spezies bestehen. Unter CO-Hydrierungsbedingungen ist die Gewichtsakkumulation an der Oberfläche auf einen Anstieg von 1,2 Gew.-% begrenzt, der hauptsächlich auf die Abwesenheit von H2O zurückzuführen ist.

Die stabilen Adsorbatschichten aus verschiedenen Feeds werden durch Oberflächen-Titrationsexperimente und spektroskopische Erkenntnisse qualitativ zugeordnet. Gemäß der Literatur wird deutlich veranschaulicht, dass auf der Grundlage der fütterungsabhängigen Abdeckung der Oberfläche verschiedene Reaktionsmechanismen für die Methanolbildung beteiligt sind. Diese Untersuchungen unter realistischen Bedingungen zeigen schließlich die Bedeutung von Zn-OH-Gruppen, die sich wahrscheinlich an der Cu/ZnO-Grenzfläche befinden, als entscheidend für die Aktivierung und Hydrierung von CO2-basierten Zwischenprodukten zu Methanol (CH3OH). Die Anhäufung von H2O- und kohlenstoffabgeleiteten Spezies auf der Oberfläche des Katalysators könnte die schlechte Aktivität in der CH3OH-Bildung bei niedrigen Temperaturen erklären und somit den Einsatz von Cu/ZnO-basierten Katalysatoren unter milden, thermodynamisch bevorzugten Bedingungen einschränken.

Mit-Autor Robert Schlögl vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin und dem Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr sieht darin einen großen wirtschaftlichen Vorteil komme: “Wir können die Aktivität der Katalysatoren definieren, können zeigen, wie viele aktive Zentren ein Katalysator hat und damit eine Aussage darüber treffen, wie gut ein Katalysator ist.”

MIT: Methan-Abfackeln bald vorbei – Vom Öl-Abfallprodukt zu Methanol

Erdgas, Nebenprodukt der Ölförderung, von dem bisher pro Jahr 150 Mrd. Kubikmeter sinnlos abgefackelt werden, lässt sich künftig nutzen. Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben dazu Ende 2017 ein Verfahren entwickelt, mit dem sich das Gas gewinnbringend als Brennstoff oder als chemisches Rohmaterial verwerten lässt. Damit ließen sich 400 Mio. Tonnen CO2 einsparen. Das Gas unverbrannt entweichen zu lassen, hätte jedoch noch größere Klimaauswirkungen, da Methan ein noch stärkeres Treibhausgas ist als Kohlendioxid.

Bisher scheiterte die wirtschaftliche Nutzung daran, dass es zu teuer war, das Gas einzusammeln und unter hohem Druck zu verflüssigen. MIT-Chemieprofessor Yogesh Surendranath und drei seiner Kollegen haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Erdgas wirtschaftlich in Methanol umwandeln lässt. Diese Alkoholart ist flüssig und lässt sich leicht in Tanks lagern und mit Tankern transportieren. Methanol kann rückstandsneutral direkt in Automotoren verbrannt, in andere synthetische Treibstoffe oder viele andere chemische Produkte umgewandelt werden.

MIT-Chemieprofessor Yogesh Surendranath und drei Kollegen haben eine Möglichkeit gefunden, Methan in Methanol-Derivate zu verwandeln – mit Strom, am besten aus Erneuerbaren Quellen. Die Forscher entwickelten ein elektrochemisches Niedertemperaturverfahren, das kontinuierlich ein Katalysatormaterial, das die Umwandlung schnell durchführen kann, immer wieder erneuern würde – siehe: solarify.eu/mit-methan-abfackeln-bald-vorbei.

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