Bessere Katalysatoren für umweltfreundliche Treibstoffproduktion
Katalysatoren spielen hier eine zentrale Rolle, da sie chemische Reaktionen beschleunigen und besser auf die gewünschten Produkte hinsteuern können. Als neue Strategie gilt dabei die Integration zweier Katalysatoren in einem Reaktor für aufeinanderfolgende, so genannte "Tandem"-Reaktionen. Das EU-finanzierte Projekt 3DMULTICAT (3D microscopy-guided assembly of novel hierarchical, multi-pore, multi-function catalysts for clean fuel production) entwickelte daher innovative Festkatalysatoren für die Erzeugung flüssiger Brennstoffe aus Synthesegas in einem einzigen Schritt. Das Gasgemisch besteht aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2), die beide aus Erdgas oder Biomasse gewonnen werden können. Entwickelt werden sollte eine neue Generation von Katalysatoren mit porösen Strukturen, über die der Transport der Moleküle in den Poren kontrolliert werden kann. Dabei können über mehrere katalytische Funktionen verschiedenste kaskadenartige Reaktionen ausgelöst werden. Bei dem Verfahren finden in einem Reaktor gleich zwei katalytische Reaktionen statt, nämlich die Fischer-Tropsch (FT)-Synthese von Kohlenwasserstoffen und die "In-situ"-Isomerisierung und Cracking der Primärprodukte auf einem Hydrocrackkatalysator. Grundlagenforschung an Katalysatoren mit Modellreaktanten zeigte, dass mit Synthesegas im Gegensatz zum standardmäßigen Hydrocracking im Hydrocrackkatalysator toxische Reaktionen stattfinden, da CO stark absorbiert wird und sich damit der Reaktionsweg verschiedener FT-Kohlenwasserstoffe beim Hydrocrackkatalysator merklich verändert. Daraufhin analysierten die Forscher innovative Designs für feste FT-Katalysatoren mittels struktureller 3D-Quantifizierungsmethoden im Nano- bis Mikrometerbereich. Die Ergebnisse zeigten, dass unter relevanten Reaktionsbedingungen der Porenmassentransport das primäre FT-Produktmuster beeinflussen kann. Analysen von Kobalt-FT-Katalysatoren resultierten dann in der Entwicklung fester Katalysatoren mit komplexer und hierarchisch organisierter Porosität und gleichmäßig verteilten katalytischen Metallspezies, mit denen sich der Molekültransport und die Anpassung des primären FT für katalytische Tandemreaktionen steuern lässt. Die Ergebnisse von 3DMULTICAT werden die Entwicklung komplexer poröser Materialien für die Katalyse wie auch eine nachhaltige Nutzung von natürlichen Ressourcen befördern, was wiederum Umwelt und Klimaschutz zugutekommt.
Schlüsselbegriffe
Feste Katalysatoren, Prozessverstärkung, 3DMULTICAT, Synthesegas, Fischer-Tropsch, Hydrocracken
