Neue Erkenntnisse zur CO2 Hydrierung: Gezielte Verschiebung der Selektivität zu Alkoholen durch die Untersuchung von bimetallischen Ni-Fe Katalysatoren

• Antragstellerin: Dr. Nina Sharmen Genz
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452243354

Die steigende CO2-Konzentration in der Atmosphäre ist eine der größten Herausforderungen der heutigen Gesellschaft. Angesichts des fortschreitenden Klimawandels und des zunehmenden Bewusstseins für dessen Konsequenzen, besitzt die CO2-Umwandlung zu Kraftstoffen und Chemikalien besondere Relevanz. Hierbei ist die CO2-Hydrierung mittels unedlen, gut verfügbaren und relativ günstigen Metallkatalysatoren ein großer Fortschritt. Ein Schlüssel zur Nutzung des Treibhausgases CO2 als Rohstoff, ist die Entwicklung effizienter und selektiver Katalysatoren.Die Suche nach effizienteren und selektiveren Katalysatoren ist allerdings eine andauernde Herausforderung in der Forschung. Das rationale Katalysatordesign setzt ein fundamentales Verständnis der aktuell verwendeten Katalysatoren und Reaktionsmechanismen voraus. Dies kann lediglich durch Kombination verschiedener Analysemethoden erzielt werden. Zusätzlich sollten die Analysemethoden in situ, unter Reaktionsbedingungen, und operando, als Kombination mehrerer in situ Methoden, angewandt werden, um die Katalysatoren unter realen Arbeitsbedingungen zu verstehen.Für die CO2-Umwandlung zu Methan sind Ni-basierte Katalysatoren, aufgrund ihrer hohen Aktivität und Selektivität, gewünscht. Für die CO2-Umwandlung zu Alkoholen, einschließlich langkettiger Alkohole, ist der optimale Katalysator hingegen noch nicht gefunden. Langkettige Alkohole werden für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und dem täglichen Leben benötigt, etwa als Kraftstoff. Eine Möglichkeit die Selektivität der CO2-Hydrierung über Ni-basierten Katalysatoren zu langkettigen Alkoholen umzulenken, ist die Kombination von Ni mit einem anderen Metall, z.B. Fe. Hierbei nutzt man die hohe Aktivität von Ni und die Selektivität von Fe.Das Hauptziel dieses Projektes ist die Verschiebung der Selektivität der CO2-Hydrierung zu Alkoholen mittels Ni-Fe/SiO2 Katalysatoren und das fundamentale Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehungen dieser Katalysatoren. Um die bimetallischen Katalysatoren auf verschiedenen Ebenen zu verstehen, wird ein facettenreicher Ansatz verfolgt, wobei sich verschiedenste Analysemethoden synergetisch ergänzen. Das Projekt basiert auf vier Säulen: Katalysatorsynthese und -bewertung, detaillierte strukturelle Charakterisierung, Lichtspektroskopie und Röntgenspektroskopie. Einzig die Kombination der erwarteten Ergebnisse aller vier Säulen wird es ermöglichen, das Gesamtbild der komplexen Ni-Fe/SiO2 Katalysatoren aufzuklären. Dies wird die erfolgreiche Katalysatorsynthese und das Verständnis der resultierenden Strukturen und ihrer Entwicklung, des Reaktionsmechanismus, der Struktur-sensitiven Effekte und schließlich der Parameter zur Verschiebung der Selektivität zu Alkoholen umfassen. Abschließend werden sich aus diesem facettenreichen Ansatz allgemeine Leitlinien zur Entwicklung bimetallischer Katalysatoren der nächsten Generation ableiten lassen, um den nächsten Schritt in der CO2-Umwandlung zu langkettigen Alkoholen zu gehen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Gastgeber: Professor Dr. Bert Weckhuysen