Struktur und Kinetik von Eisenkatalysatoren in der Anfangsphase der Fischer-Tropsch-Synthese: Kombination von Operando-XRD- und Festbettmessungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Jess
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 412867760

Bei der Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) wird CO mit H2 an cobalt- oder eisenbasierten Katalysatoren in höhere Kohlenwasserstoffe (und Wasser) umgesetzt. Insbesondere bei Eisenkontakten ist bis heute nicht eindeutig geklärt, welche Phasen die Reaktion katalysieren. Dies liegt vor allem daran, dass der Eisenkatalysator erst unter FT-Synthesebedingungen formiert wird und sich eine komplexe Phasenstruktur bestehend aus Fe0, Fe-Oxiden und -Carbiden bildet. Zwar wurde die Zusammensetzung von FT-Eisenkatalysatoren ex-situ mittels Röntgendiffraktometrie (XRD), Mößbauer- und Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie schon untersucht, aber die Zahl der Studien, die auch die Abhängigkeit der katalytischen Eigenschaften von der Phasenzusammensetzung betrachten, ist sehr gering. Klar ist bisher (nur), dass Fe-Kontakte in der Anfangsphase der Synthese aktiver werden. Aus der Bildung von Eisencarbiden wurde geschlossen, dass diese die aktiven Phasen sind, was bis heute aber umstritten ist; unklar ist auch, welches Carbid besonders aktiv ist.Eine detaillierte Charakterisierung des frischen Katalysators lässt naturgemäß nur sehr eingeschränkt Aussagen über die Zusammensetzung des „arbeitenden“ Systems zu. Aber auch bei der Phasenbestimmung von "gebrauchten" Katalysatoren durch Ex-situ-Verfahren, die bisher bei Raumtemperatur in Inertgas durchgeführt werden, ist immer fraglich, ob die gewonnenen Ergebnisse den Zustand des „arbeitenden“ Katalysators unter Synthesebedingungen widerspiegeln. Wie unsere Vorarbeiten mit Hilfe eines Operando-XRDs und kinetische Untersuchungen im Festbett zeigen, hängt der Aufbau der Fe-Katalysatorphasen von der reduzierenden Vorbehandlung des Katalysators, seiner Ausgangszusammensetzung (Promotoren) und den gewählten FT-Synthesebedingungen ab. Im geplanten Projekt soll durch Operando-XRD die Phasenzusammensetzung von Fe-Sinterkatalysatoren bzw. deren Änderung in der Anfangsphase der Tieftemperatur-FT-Synthese (< 250°C) bis zum Erreichen eines stationären Zustandes studiert werden. Dabei soll auch der Einfluss der reduktiven Vorbehandlung, der zugegebenen Promotoren und der Reaktionsbedingungen (Temperatur, Druck, CO-, H2- und Wasserdampf-Anteil im Synthesegas) untersucht werden. Parallel bzw. komplementär dazu sollen durch kinetische Studien im Festbett bei den gleichen Reaktionsbedingungen auch die Aktivität und Selektivität der Katalysatoren bestimmt werden, um so eine klare Struktur-Wirkungsbeziehung ("Phasenzusammensetzung-Kinetik") zu ermitteln und die Phase(n) zu bestimmen, die für die FT-Synthese aktiv ist(sind). Von großem Interesse ist aber auch, ob die im stationären Zustand erreichte Aktivität und Selektivität z.B. durch Zugabe von Promotoren oder die reduktive Vorbehandlung einstellbar sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen