KIT: Maßgeschneiderte Power-to-X-Katalysatoren

Die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS), bei der aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff die langkettigen Kohlenwasserstoffe für die Produktion von Benzin oder Diesel gewonnen werden, ist ein etabliertes Verfahren der chemischen Industrie. Allerdings hat die Wissenschaft die dabei ablaufenden Prozesse auch über hundert Jahre nach der Entdeckung nicht vollständig verstanden: „Das betrifft vor allem die strukturellen Veränderungen der für den Prozess notwendigen Katalysatoren unter industriellen Bedingungen“, sagt Jan-Dierk Grunwaldt vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) „Während der Reaktion können sich unerwünschte Nebenprodukte bilden oder es kann zu störenden strukturellen Änderungen des Katalysators kommen. In welcher Form das während der Reaktion genau geschieht und welche Auswirkungen das auf den Gesamtprozess hat, hat die Wissenschaft bislang nicht ausreichend erklärt.“ Dabei ist dieses Wissen für die Entwicklung von Power-to-X-Katalysatoren notwendig.

Verständnis der Fischer-Tropsch-Synthese auf atomarer Ebene

In einem transdisziplinären Projekt ist dem Team nun ein Durchbruch beim Verständnis der Fischer-Tropsch-Synthese auf atomarer Ebene gelungen. „Bei der Untersuchung nutzen wir Methoden der Synchrotronforschung, nämlich die Röntgenabsorptionsspektroskopie und die Röntgenbeugung“, sagt Marc-Andrée Serrer (IKFT), einer der Autoren der Studie. „Damit konnten wir erstmals einem FTS-Katalysator quasi auf atomarer Ebene unter realen Prozessbedingungen bei der Arbeit zusehen.“

Zwar hat man katalytische Reaktionen bereits zuvor mit einem Synchrotron untersucht. Aber Reaktionen, die wie im Realbetrieb einer PtX-Anlage über einen längeren Zeitraum sowie unter hohen Temperaturen und Drücken stattfinden, stellten bislang eine Hürde dar. Für das Experiment am KIT haben die Forscher nun eine neuartige Hochdruck-Infrastruktur an der für Katalysatorstudien designierten CAT-ACT-Messlinie am Synchrotron des KIT aufgebaut. Mit dieser Infrastruktur, die als Teil der Kopernikus-Projekte der Bundesregierung zur Energiewende entstanden ist, konnten sie die Arbeitsweise eines kommerziellen Kobalt-Nickel-Katalysators bei realitätsnahen Reaktionsbedingungen von 250 Grad Celsius bei 30 bar Druck für mehr als 300 Stunden bei der Fischer-Tropsch-Synthese bestimmen.

Maßgeschneiderte Power-to-X-Katalysatoren mit dem Computer

Mit dem Experiment konnten die Forscher Kohlenwasserstoffablagerungen identifizieren. Diese erschweren eine Diffusion der reaktiven Gase zu den aktiven Katalysatorpartikeln. „Im nächsten Schritt kann man dieses Wissen dazu verwenden, den Katalysator speziell gegen diese Deaktivierungsmechanismen zu schützen“, sagt Grunwaldt. „Das geschieht etwa durch die Modifikation mit Promotoren, also Stoffen, welche die Eigenschaften des Katalysators verbessern.“ Perspektivisch soll das neuartige atomare Verständnis von katalytischen Reaktionen auch Computersimulationen zur schnellen, ressourcenschonenden und kostengünstigen Entwicklung für maßgeschneiderte Power-to-X-Katalysatoren ermöglichen.

6.7.2020 | Quelle: KIT | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH

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