Wissenschaftsbasierte Entwicklung von neuen mesoporösen graphitischen Kohlenstoffen als Katalysatoren für die oxidative Dehydrierung von Alkoholen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bastian Etzold
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 323078467

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Eine polymerbasierte Syntheseroute konnte entwickelt werden, in der eine Softtemplatmethode, mit Einführen einer Ionentauscherkapazität des Prekursorpolymers kombiniert wurde. Dies erlaubte es atom-dispergiert Metallionen in das Polymer einzubringen. Durch Variation der Pyrolysetemperatur und einbringen/weglassen von Graphitisierungsmetallen (Ni, Co, Fe) konnte die Kristallinität des resultierenden Kohlenstoffes (polymer-derived carbon, PDC) gesteuert werden. Die Porengrößenverteilung ließ sich über die Templatmethode nur geringfügig variieren. Die eingebrachte Porenstruktur stellte sich jedoch als essenziell heraus, um durch eine nachgelagerte milde Oxidation des Kohlenstoffes, den amorphen Anteil abzubrennen und einen mesoporösen kristallineren Kohlenstoff zu erhalten. Auf Basis der Syntheseroute wurden Katalysatoren entwickelt, welche Selektivitäten ähnlich von C-Nanoröhren und ca. 10 mal höhere Raumzeitausbeuten als bei C-Nanoröhren aufzeigen. Das Vakuumausheizen von Aktivkohle führte trotz breiter Ausgangsbasis zu ähnlichen Materialien mit erhöhter Kristallinität aber eingebrochener Porosität. Katalytische Tests zeigten schlechte Aktivität und Selektivität. Aus diesem Grund wurde vorerst die vielversprechende Polymerroute im Projektzeitraum weiterverfolgt. Mit dem PDC wurde die ODH von MeOH und EtOH detailliert untersucht und mit C-Nanomaterialien als Referenz verglichen. Die Untersuchungen der ODH von BuOH wurden mit C-Nanomaterialien begonnen. Trotz der hohen Herausforderung Kohlenstoffe mit ihrer starken Absorption spektroskopisch zu untersuchen, wurden DRIFT Untersuchungen erfolgreich durchgeführt. Die PDC Materialien stellen sich hier als sehr gute Modelmaterialien heraus, welche ein Aufschlüsseln der überlappenden Banden erlauben. Die Arbeiten gingen in in-situ DRIFT Messungen zur MeOH ODH auf. Da außer eines anfänglichen Abbrandes über die Raman Spektroskopie kaum Materialveränderungen detektiert wurden, wurden keine in-situ Raman Messungen durchgeführt und sich auf die in-situ DRIFTS Messungen konzentriert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Oxidative dehydrogenation on nanocarbon: Effect of heteroatom doping, Applied Catalysis B 258 (2019) 111892
  Wei Liu, Chao Wang, Felix Herold, Bastian J. M. Etzold, Dangsheng Su, Wei Qi
  
• „Polymerderived carbons as active and selective catalysts in the oxidative dehydrogenation of ethanol to acetaldehyde“ EuropaCat, 2019, Aachen
  S. Prosch, F. Herold, N. Oefner, P. Schmatz, A. Drochner, B. J. M. Etzold
  
• „Tuning Key-Properties of Mesoporous, Graphitic Carbons for the Application in Metal-Free Oxidation Catalysis” 51. Jahrestreffen Deutscher Katalytiker, 2019, Weimar
  F. Herold, P. Schmatz, A. Drochner, B. J. M. Etzold
  
• Methanol conversion on borocarbonitride catalysts: Identification and quantification of active sites. Sci.Adv. 6 (2020) eaba5778
  Xuefei Zhang, Pengqiang Yan, Junkang Xu, Fan Li, Felix Herold, Bastian J. M. Etzold, Peng Wang, Dangsheng Su, Sen Lin, Wei Qi, Zailai Xie
  
• Methanol oxidative dehydrogenation and dehydration on carbon nanotubes: active sites and basic reaction kinetics. Catal. Sci. & Technol. 10 (2020) 4952
  Pengqiang Yan, Xuefei Zhang, Felix Herold, Fan Li, Xueya Dai, Tianlong Cao, Bastian J. M. Etzold, Wei Qi
  
• Oxygen assisted butanol conversion on bifunctional carbon nanotube catalysts: Activity of oxygen functionalities. Carbon 170 (2020) 580
  Fan Li, Pengqiang Yan, Felix Herold, Alfons Drochner, Haihua Wang, Tianlong, Cao, Weijie Liu, Xueya Dai, Bingsen Zhang, Bastian J. M. Etzold, Wei Qi
  
• Methodology for the identification of carbonyl absorption maxima of carbon surface oxides in DRIFT spectra. Carbon Trends 3 (2021) 100020
  Felix Herold, Oliver Leubner, Katharina Jeschonek, Christian Hess, Alfons Drochner, Wei Qi, Bastian. J.M. Etzold
  
• Nanoscale Hybrid Amorphous/Graphitic Carbon as Key Towards Next-Generation Carbon-Based Oxidative Dehydrogenation Catalysts. Angew. Chem. 60 (2021) 5898
  Felix Herold, Stefan Prosch, Niklas Oefner, Kai Brunnengräber, Oliver Leubner, Yannick Hermans, Kathrin Hofmann, Alfons Drochner, Jan P. Hofmann, Wei Qi and Bastian J. M. Etzold
  
• Synthesis strategies towards amorphous porous carbons with selective oxygen functionalization for the application as reference material. Carbon 171 (2021) 658
  Felix Herold, Oliver Leubner, Philipp Pfeifer, Dina Zakgeym, Alfons Drochner, Wei Qi, Bastian. J.M. Etzold