Mechanistische Untersuchungen der CO2-Hydrierung zu Methanol über Cu/CeO2-Katalysatoren

• Antragstellerin: Dr. Anastasia Filtschew
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424182856

Die steigenden Konzentrationen an Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre führen einerseits zur Klimaerwärmung und andererseits zur Ansäuerung des Ozeans. Eine Möglichkeit zur Verringerung der CO2-Emissionen ist, das CO2 mit Wasserstoff (H2) über einen Katalysator in eine wiederverwertbare Chemikalie wie z. B. Methanol umzuwandeln. Das Methanol kann anschließend z. B. als Lösungsmittel, alternativer Treibstoff oder als Zwischenprodukt in der Petrolchemie verwendet werden. Industriell wird Methanol bisher über Cu/ZnO/Al2O3-Katalysatoren bei 50-100 bar und 175-325°C hergestellt. Um eine ausreichende Methanol-Ausbeute zu erhalten, muss die Methanol-Synthese bei hohen Drücken betrieben werden. Für die Aktivierung des CO2 werden zudem auf Grund der Stabilität des CO2-Moleküls hohe Temperaturen benötigt, was zum einen mit hohen Kosten verbunden ist und zum anderen auf Grund des schlechteren thermodynamischen Gleichgewichts zu einer schlechteren Methanol-Ausbeute führt. Aus diesem Grund wird nach Katalysatoren gesucht, die bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden können. Kupfer-beladenes Cerdioxid (Cu/CeO2) zeigt bei tieferen Temperaturen vergleichbare Aktivitäten wie der Cu/ZnO/Al2O3-Katalysator. So kann CeO2 auf Grund seines Ce(III)/Ce(IV)-Redoxsystem Defekte im Gitter ausbilden, welche wiederum bei der CO2-Aktivierung behilflich sind.Im Rahmen dieses Projektes soll der Mechanismus der CO2-Hydrierung zu Methanol über Kupfer-beladenem Cerdioxid (Cu/CeO2) aufgeklärt werden. Da bisher nur wenig über die CO2-Hydrierung über Cerdioxid bekannt ist, wird zunächst reines CeO2 und anschließend Cu/CeO2 untersucht. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Etablierung von Struktur-Aktivitäts-Beziehungen mittels operando Spektroskopie sowie den Nachweis aktiver Zwischenprodukte der Methanol-Synthese gelegt, welche durch den Einsatz von Isotopen aufgeklärt werden sollen. Sind die aktiven Zwischenprodukte der Methanol-Synthese bekannt, können Katalysatoren mit Adsorptionsplätzen für die aktiven Spezies neu entwickelt und der Prozess optimiert werden. Für die Materialoptimierung wird (i) der Einfluss der Adsorptionsplätze durch die Synthese von CeO2-Proben mit unterschiedlichen Facetten [(100), (110), (111)] und (ii) der Einfluss unterschiedlicher Cu-Beladungen untersucht. Die experimentellen Ergebnisse werden dann mit DFT-Rechnungen verglichen. Des Weiteren soll der Einfluss des Drucks und der Temperatur auf die Methanol-Synthese analysiert werden. Für die Untersuchungen wird ein neuer operando Messaufbau aus einer Kombination von Raman- und DRIFT-Spektroskopie, gekoppelt mit Massenspektrometrie, entwickelt, der bei Drücken von bis zu 30 bar verwendet werden kann. Durch diesen neu entwickelten Messaufbau können Veränderungen an der Oberfläche (DRIFT-Spektroskopie) und im Subsurface-Bereich (Raman-Spektroskopie) des Katalysators mit der jeweiligen Gasphasenzusammensetzung (Massenspektrometrie) korreliert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Spanien
• Kooperationspartnerin: Dr. Maria Veronica Ganduglia-Pirovano