Dr. Holger Ruland - Katalytische Technologien

In der Arbeitsgruppe katalytische Technologien werden heterogen-katalysierte Reaktionen untersucht. Für eine energieeffiziente und nachhaltige Umsetzung von Reaktanten ist die Katalyse von großer Bedeutung, da sie die Aktivierungsbarriere einer chemischen Reaktion durch Veränderung des Reaktionsmechanismus senkt. Bei der heterogenen Katalyse ist der Katalysator in der Regel ein Feststoff, während die Reaktanten in der umgebenden gasförmigen oder flüssigen Phase vorliegen. Ein tieferes Verständnis katalytischer Prozesse kann helfen, die Effizienz von Reaktionen zu verbessern, wodurch Ressourcen gespart sowie der Gesamtenergiebedarf gesenkt werden können.

In der Arbeitsgruppe katalytische Technologien stehen Reaktionen im Mittelpunkt, die im Bereich der Energieumwandlung und -speicherung von Interesse sind. Solar-, Wind- und Wasserenergie werden heute oft als nachhaltige Energiequellen angesehen und können helfen, die Verknappung der auf Kohlenwasserstoff basierenden Energiequellen umweltfreundlich zu lösen. Die elektrokatalytische Wasserstofferzeugung wird im Institut detailliert untersucht und oft als Schlüsseltechnologie zur Speicherung der fluktuierend auftretenden erneuerbaren Energien diskutiert. Es wurden zahlreiche Techniken zur Speicherung des Wasserstoffs vorgeschlagen, darunter die Erzeugung von Ammoniak und Methanol, die in der Arbeitsgruppe untersucht werden. Beide Stoffe bieten den Vorteil hoher Wasserstoffgehalte und sind aufgrund ihrer Kondensationsfähigkeit leichter zu speichern als reiner Wasserstoff.¹

Neben dem elektrokatalytisch erzeugten Wasserstoff können in Zukunft auch andere chemische Ausgangsstoffe eine wichtige Rolle in der chemischen Industrie spielen. In der Arbeitsgruppe katalytische Technologien wird die Möglichkeit der Nutzung von Industrieabgasen als potenzielle Wasserstoff-, Kohlenstoff- und/oder Stickstoffquellen für die Methanol- und Ammoniaksynthese untersucht. Eine umfangreiche Analyse der realen Abgase, die in einem Stahlwerk anfallen, wird für alle Arten von Spurenkomponenten, einschließlich Metallen, schwefel-, stickstoff- und chlorhaltigen Verbindungen, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen sowie Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylol (BTEX-Aromaten) und für viele andere gasförmige Komponenten durchgeführt. Offline-Abgasanalysen von Hochofengas, Koksofengas und Konvertergas wurden bereits durchgeführt. Da die komplexe Zusammensetzung der Abgase sowohl von den Produktionsbedingungen als auch von den verwendeten Rohstoffen abhängt und somit zeitabhängig ist, ist eine detaillierte kontinuierliche Analyse über längere Zeiträume zwingend erforderlich.

In der Arbeitsgruppe wurden daher im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projektes HügaProp (Hüttengasproperties, Förderkennzeichen 03EK3546) zwei mobile Container (ein Labor- und ein Versorgungscontainer) konstruiert und gebaut. Der Labor-Container ist ein mobiles High-End-Gasanalyselabor, welches in einem Container untergebracht ist, um die Stahlwerksgase direkt vor Ort analysieren zu können. Es ist mit einem PTR-SRI-QiTOF-MS der neuesten Generation für Hochleistungsanalysen sowie Reaktoraufbauten für katalytische Untersuchungen in der Methanolsynthese bzw. zur Erprobung von Gasreinigungsmaterialien ausgestattet. Die Abgasanalyse am Stahlwerk wird im Rahmen des Projektes Carbon2Chem® im Teilprojekt L0 durchgeführt, welches ebenfalls vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird (Förderkennzeichen 03EK3038C).

Heutzutage wird Methanol aus CO-, CO₂- und H2-haltigen Einsatzgasgemischen in einem konventionellen, kontinuierlich durchgeführten Verfahren unter Verwendung eines Cu/ZnO/Al₂O₃-Katalysators hergestellt. Da das Cu/ZnO/Al₂O₃-System auch bei der Hydrierung von reinem CO₂ ohne CO im Einsatzgas aktiv ist, ist die Methanolsynthese aus CO₂/H₂-Gemischen ein vielversprechender Ansatz, um zur Stabilisierung des CO₂-Gehalts der Atmosphäre beizutragen. Gleichzeitig kann eine Wiedereingliederung des Treibhausgases CO₂ in die Wertschöpfungskette der industriellen Chemie erreicht werden, da Methanol der wichtigste Alkohol hinsichtlich seines Produktionsvolumens und der zahlreichen Anwendungen ist. Ein zukünftiger nachhaltiger und umweltfreundlicher Produktionsweg aus Abgasen macht ein tieferes Verständnis der CO₂-Hydrierung und eine Erweiterung des bekannten Parameterraums eines Cu-basierten Katalysators wichtig. Die Verwendung von CO₂-reichen Einsatzgasen, möglichst ganz ohne CO, und dynamische Betriebsbedingungen stellen typische Herausforderungen für einen solchen Prozess dar und werden in der Gruppe Katalytische Technologien untersucht. Der Einfluss von Parametern wie Druck, Temperatur und Raumgeschwindigkeit wird in Bezug auf die Produktivität untersucht, um eine Grundlage für die Nutzung von Abgasen z.B. von Stahlwerken zu schaffen.²

In der Gruppe Katalytische Technologien werden Reaktivitätsuntersuchungen in der CO₂-Hydrierung im Rahmen des Projektes Carbon2Chem im Teilprojekt L2 (ProMeOH - Methanolsynthese aus Hüttengasen), das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, Förderkennzeichen 03EK3039D) gefördert wird, durchgeführt. Die hierfür eingesetzten Versuchsanlagen sind so ausgelegt, dass die Produktivität auch durch volumetrische Analyse von Kondensat und hochpräzise GC-MS-Produktanalyse bestimmt werden kann. Darüber hinaus wird der Einfluss von Verunreinigungen der Abgase auf die Katalysatoraktivität und -stabilität untersucht. Um herauszufinden, inwieweit eine Gasreinigung notwendig ist, wurden systematische Reaktivitäts- und Stabilitätsstudien in der Methanolsynthese begonnen. Die Einsatzgase bestehen aus CO_x, Wasserstoff und zusätzlich aus Spurenkomponenten, die üblicherweise in den Abgasen enthalten sind, wie z.B. Benzol als Vertreter der BTEX-Aromaten.

Die Ammoniaksynthese stellt eine weitere Möglichkeit dar, den mit erneuerbaren Energiequellen erzeugten Wasserstoff zu speichern. Es ist bekannt, dass die Ammoniaksynthese eine struktursensible Reaktion ist.³ Dennoch besteht noch eine große Druck- und Materiallücke zwischen Aktivitätsdaten unter industriell relevanten Bedingungen und oberflächenwissenschaftlichen Ansätzen. Deshalb wurde geplant, eine systematische Reihe von Katalysatoren mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen zu untersuchen und ihre Aktivität mit ihrer Struktur zu korrelieren. Zu diesem Zweck untersucht die Arbeitsgruppe Katalytische Technologien die Aktivität und Stabilität alternativer Eisen-basierter Katalysatorsysteme in einer kinetischen Flussapparatur.⁴ Ein weiterer wichtiger Punkt bei den alternativen Katalysatorherstellungsrouten ist die Umgehung des Hochtemperaturschmelzprozesses des Eisenoxid-Precursors. Eine solche "grüne" Synthese erlaubt es, das Zusammenspiel von Morphologie und Promotorchemie bei der Bildung der aktiven Eisenspezies gezielt zu untersuchen.

Für diese Untersuchungen wurde ein spezieller Reaktor konstruiert, der die Demontage des Katalysators in einer Glove-Box ohne Kontakt zur Umgebung für Ex-situ-Charakterisierungsmethoden ermöglicht. Dies kann helfen zu klären, ob während der Reaktion Oberflächen-, Unteroberflächen- oder Bulk-Nitrid-Spezies entstehen, da die aktive Phase des Eisen-basierten Katalysators unter industriell genutzten Bedingungen noch unklar ist.⁵ Solche Untersuchungen sind erforderlich, um einen Einblick in die Chemie der aktiven Form von Ammoniakeisen zu erhalten, da der sehr geringe Umsatz in der Ammoniaksynthese bei kleinen Drücken im mbar-Bereich eine direkte in-situ Analyse ausschließt und die extreme Luftsensitivität der aktivierten Katalysatoren eine große Hürde darstellt.