Nanostrukturierte Kern-Schale-Katalysatoren zur Steuerung der Produktverteilung in der Fischer-Tropsch-Synthese

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Güttel
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430066230

Die Umsetzung von Synthesegas, eine Mischung aus CO und H2, an Cobalt-Katalysatoren über die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) liefert ein breites Spektrum an Kohlenwasserstoffen unterschiedlicher Kettenlängen, was einen zusätzlichen Aufarbeitungsschritt erforderlich macht. Insbesondere für kleinskalige, dezentrale FT-Produktionsanlagen zur Nutzung alternativer Kohlenstoffquellen (z.B. Biomasse oder entlegene Erdgasquellen) ist die Kombination der FTS mit dem Aufarbeitungsschritt in einem Reaktionsapparat interessant, um die Komplexität des Prozesses zu reduzieren. Besonderes Potential für diesen Anwendungsfall besitzen nanostrukturierte, bi-funktionale Katalysatoren, da sie einerseits in verschiedenen Reaktorgeometrien variabel eingesetzt und andererseits hinsichtlich ihrer Eigenschaften kontrolliert hergestellt werden können. Solche Materialien bestehen aus Co-Nanopartikeln, die fein verteilt in eine zeolithische Matrix eingebettet sind. Während Co den Aufbau von Kohlenwasserstoffketten katalysiert, dienen Zeolithe mit sauren Zentren zum Cracken langer Ketten (FT-Produktaufarbeitung, FTPA). Durch die Kern-Schale-Anordnung (Cobalt-Kern, Zeolith-Schale) ist sichergestellt, dass der Zeolith auf dem Transportpfad der gebildeten Kohlenwasserstoffe liegt und sich das ursprüngliche Produktspektrum der FTS hin zu kurzkettigen Produkten verschieben lässt, die beispielsweise als flüssige Treibstoffe eingesetzt werden können.Das Grundprinzip dieser bi-funktionalen, nanostrukturierten Katalysatoren konnte bereits erfolgreich demonstriert werden, sowohl im Hinblick auf die Materialsynthese, als auch auf die katalytischen Eigenschaften. Die Steuerung des erhaltenen Produktspektrums erfordert jedoch detaillierte und quantitativ belastbare Erkenntnisse zum Zusammenspiel der kinetischen und Transportprozesse in der zeolithischen Matrix. Vor diesem Hintergrund zielt das Projekt auf die Untersuchung der Einflüsse 1. des Siebeffekts auf den Transport großer Produktmoleküle durch die mikroporöse Zeolithmatrix, 2. des Verhältnisses von FT-Produktbildungsrate und Umsetzungsgeschwindigkeit in der FTPA, und 3. zusätzlicher Mesoporen in der mikroporösen Zeolith-Matrix ab. Diese Ziele sollen durch die systematische Variation der Eigenschaften der Zeolith-Matrix und der Korrelation mit den katalytischen Ergebnissen erreicht werden. Grundlage ist die in Vorarbeiten entwickelte innovative Synthesestrategie, in der die nanostrukturierten Zielmaterialien durch eine schrittweise Synthese des Co-Kerns und Modifikation der Schale aufgebaut werden. Das erlaubt ein Höchstmaß an Kontrollierbarkeit der Eigenschaften der Zielmaterialien, wie der Porosität und Azidität der Zeolith-Matrix. Außerdem ist eine hohe Vergleichbarkeit der katalytischen Eigenschaften der Co-Kerne gegeben, da deren Herstellungsmethode unverändert bleibt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen