Fe-basierte Katalysatoren für die Umwandlung von CO2 zu höheren Kohlenwasserstoffen unter dynamischen Bedingungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Angelika Brückner; Professor Dr. Evgenii Kondratenko; Professor Dr. Nicola Pinna, seit 4/2022
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406695057

Die Hydrierung von CO2 zu höheren Kohlenwasserstoffen (CO2-FT) bietet einen nachhaltigen Weg zur Herstellung industriell relevanter Chemikalien. Auch aus fundamentaler Sicht ist die Reaktion von größtem Interesse, da an den typischerweise eingesetzten eisenhaltigen Katalysatoren reaktionsinduzierte dynamische Änderungen auftreten, welche Änderungen der Aktivität und Selektivität nach sich ziehen. In der ersten Förderperiode wurde der Einfluss der Vorbehandlung und der Reaktionsbedingungen auf das Verhalten von FexOyCz-Katalysatoren untersucht. Eine starke Abhängigkeit der reaktionsinduzierten Karbidbildung von der Zusammensetzung der Gasphase (vor allem CO und H2O) führt zur Ausbildung von Gradienten entlang der Katalysatorbette. Ebenso wird ein starker Einfluss der Katalysatorsynthesemethode, der Katalysatorvorbehandlung sowie einer Dotierung mit Elementen wie Natrium beobachtet. Auf diesen Einblicken aufbauend berichten wir die erste soft-templatierte Synthese mesoporös strukturierter Eisenkarbidfilme. Ebenso wurden ein strukturelles Modell der gebildeten Karbidsysteme, eine mechanistische Vorstellung der Karbidbildung sowie Korrelationen zwischen gebildeten Phasen, katalytischer Aktivität und Selektivität hergeleitet.In der zweiten Förderperiode sollen folgende Fragestellung untersucht werden: (i) der Einfluss der Reaktionsatmosphäre und externer Stimuli auf die Dynamik der Katalysatorrestrukturierung und Produktbildung, (ii) die reversible Bildung und Abreaktion der Karbidphasen, (iii) der Einfluss des dynamischen CO2-FT Reaktorbetriebs auf die Karbidbildung, sowie (iv) eine Aufklärung der beobachteten Untergrenze für die Methanselektivität bei kontinuierlicher sowie transienter Betriebsweise. Kontrollierte Materialsynthese, katalytische Untersuchungen sowie eine vertiefte Materialanalytik, auch unter operando-Bedingungen, stehen im Mittelpunkt der geplanten Arbeiten. Schwerpunktmäßig werden promotierte Eisenoxide in ungeträgerter, geträgerter und nanostrukturierter Form untersucht. Um die Ausbildung von Gradienten der Materialzusammensetzung zu kontrollieren, erfolgen katalytische Tests in einem Reverse-Flow Reaktor mit dynamischer Flussrichtungsumkehr. Ziel ist neben einem besseren Verständnis auch die Erhöhung der Produktausbeute. Ebenso werden die Einflusse einer periodischen CO-Zudosierung und einer dynamischen Modulation auf die Produktausbeute untersucht. Die Messung ortsgelöster Profile der Oxidanteile erfolgt in einem neuartiger Raman-Profilreaktor. Die Ableitung genereller Zusammenhänge zwischen Struktur und katalytischen Eigenschafen dient als Basis für optimierte Katalysatoren und Betriebsprotokolle in kontinuierlicher sowie transienter Fahrweise.Die fruchtbaren Kooperationen im SPP werden fortgeführt und erweitert, u.a. in Hinblick auf operando FTIR und Raman-Messungen, Parallelreaktoren für vergleichende CO2-Hydriertestungen, eine übergreifende kinetische Modellierung sowie statistische Methoden der Datenanalyse.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2080: Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Ralph Krähnert, bis 3/2022